模擬指壓作用下駕駛員安全氣囊蓋板的剛度特征研究

曾煜

(長安福特汽車有限公司，重慶 400021)

0 引言

汽車安全氣囊系統(tǒng)(Air Bag Restraint System，簡稱SRS)是輔助安全系統(tǒng)，通常是作為安全帶的輔助安全裝置，能夠有效降低碰撞事故中乘員傷害程度。隨著汽車在我國的大量普及，安全氣囊的安裝率和使用情況也逐年增加，目前駕駛員安全氣囊(Driver Air Bag，DAB)已逐漸成為汽車必不可少的配置之一。駕駛員安全氣囊裝配于方向盤內(nèi)部，當(dāng)車輛發(fā)生一定強(qiáng)度的碰撞時，能夠迅速產(chǎn)生大量氣體充氣形成一定形狀的氣袋，為車內(nèi)駕駛員提供碰撞輔助保護(hù)功能。駕駛員安全氣囊表面一般有塑料蓋板包覆，該塑料蓋板必須要滿足安全氣囊起爆時不能碎裂飛濺的要求，目前熱塑性彈性體是駕駛員安全氣囊蓋板的主要使用材料。用作安全氣囊蓋板的熱塑性彈性體主要有聚烯烴共混型熱塑性彈性體(TPO、TPV)、聚氨酯型熱塑性彈性體(TPU)、聚酯型熱塑性彈性體(TPEE)[1]。

同時駕駛員安全氣囊也是喇叭開關(guān)的載體，通過按壓駕駛員安全氣囊導(dǎo)通喇叭回路，使得喇叭鳴響。因此，需要滿足按壓喇叭時具有足夠剛度不能塌陷的要求。熱塑性彈性體的剛度直接影響按壓喇叭的舒適性。駕駛員安全氣囊在裝車使用過程中出現(xiàn)按壓喇叭時蓋板6點(diǎn)鐘方向偏軟塌陷問題，但由于是主觀按壓評價，因人而異且不能定量描述。本文作者通過模擬指壓試驗(yàn)對蓋板的力-位移關(guān)系進(jìn)行研究，提出定量描述蓋板的剛度特性的方法，并提出蓋板塌陷問題解決方案。

1 剛度試驗(yàn)

定量描述蓋板力-位移關(guān)系的關(guān)鍵是力值和變形位移量的時時記錄，而力值記錄是難點(diǎn)，因?yàn)槭种赴磯翰荒芏坑涗浟χ禂?shù)據(jù)，所以考慮使用模擬手指工裝，安裝在力加載設(shè)備上，可時時讀取力值數(shù)據(jù)。綜合考慮后得出蓋板剛度試驗(yàn)方法。

1.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)條件：室溫(23 ℃)。

試驗(yàn)設(shè)備：

(1)力加載試驗(yàn)設(shè)備，如圖1所示。

(2)模擬手指：直徑為19 mm的桿狀，接觸頭部為半球形。如圖2所示。

圖1 力加載設(shè)備示意圖

圖2 模擬指壓桿示意圖

(3)位移測量設(shè)備。其試驗(yàn)程序?yàn)椋?/p>

①所有樣品置于23 ℃的環(huán)境下；

②使按壓工裝和直徑19 mm的工裝桿垂直于樣品蓋板試驗(yàn)點(diǎn)；

③加載(80±2) N的負(fù)載，檢測蓋板試驗(yàn)點(diǎn)位移量；

④目視檢查蓋板變形情況并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。

1.2 試驗(yàn)樣件

選取8個不同品牌車型駕駛員安全氣囊和按壓6點(diǎn)鐘方向時出現(xiàn)塌陷問題車型(車型1和車型2)，共計(jì)10個車型進(jìn)行蓋板剛度試驗(yàn)，該10個蓋板的材料均屬于熱塑性彈性體。

10個車型蓋板根據(jù)造型不同，6點(diǎn)鐘方向蓋板伸出量不同，為模擬正常按壓喇叭動作，統(tǒng)一選取伸出量距離墻體2/3處中心點(diǎn)來驗(yàn)證剛度變形量，如圖3所示。

圖3 蓋板伸出量示意圖

對試驗(yàn)樣件進(jìn)行主觀按壓評價，評價結(jié)果如表1所示。

表1 不同品牌車型駕駛員安全氣囊主觀按壓評價結(jié)果

1.3 試驗(yàn)結(jié)果

指壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

力-位移曲線如圖4所示。

圖4 力-位移曲線圖

1.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)討論

車型1：蓋板在施加到65 N時，位移量已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他車型，且已出現(xiàn)明顯折彎失效。

車型2：在施加力至80 N時，位移量達(dá)到3.5 mm。

車型3—10：在施加80 N力時，位移量范圍在1.5～2.7 mm，變形量均值為2.015 mm。

當(dāng)施加`力大于100 N后部分車型出現(xiàn)折彎現(xiàn)象，并且考慮到人主觀按壓喇叭所能施加的力不會超過80 N，確定80 N為模擬指壓試驗(yàn)所施加力最大值。

基于以上分析，假定駕駛員安全氣囊蓋板6點(diǎn)鐘方向剛度在施加80 N力時，蓋板變形量小于3 mm即主觀按壓評價駕駛員安全氣囊蓋板不會塌陷的假設(shè)成立。

2 剛度提升設(shè)計(jì)

基于蓋板剛度假定，對車型1駕駛員安全氣囊蓋板進(jìn)行剛度提升設(shè)計(jì)，分為兩個方案：(1)蓋板材料由偏軟材料改為更硬的材料；(2)蓋板材料不變，增加加強(qiáng)筋。

針對方案1，基于安全氣囊起爆要求，起爆時蓋板不能產(chǎn)生碎裂、飛濺物，目前蓋板只有熱塑性彈性體適合，其他塑料(如PP、PVC等)不能滿足安全氣囊起爆要求。而方案2可以從模具修改中直接實(shí)現(xiàn)。因此，采用方案2，即對蓋板6點(diǎn)鐘方向增加加強(qiáng)筋。如圖5所示。

圖5 增加加強(qiáng)筋前、后對比

對優(yōu)化后的駕駛員安全氣囊蓋板進(jìn)行主觀按壓評價，評價結(jié)果如表3所示。

表3 增加加強(qiáng)筋前、后主觀按壓評價結(jié)果對比

3 剛度試驗(yàn)驗(yàn)證

對優(yōu)化后的駕駛員安全氣囊蓋板進(jìn)行剛度試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 增加加強(qiáng)筋前、后剛度試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比

試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 增加加強(qiáng)筋前、后力-位移曲線對比

通過主觀按壓評價和剛度試驗(yàn)結(jié)果對比，可以得出：

(1)增加加強(qiáng)筋對增加蓋板剛度有顯著影響；

(2)假定駕駛員安全氣囊蓋板6點(diǎn)鐘方向剛度在施加80 N力時，蓋板變形量小于3 mm即定量描述主觀按壓評價駕駛員安全氣囊蓋板不會塌陷的假設(shè)成立。

4 結(jié)論

文中對出現(xiàn)塌陷問題的駕駛員安全氣囊和其他不同車型駕駛員安全氣囊蓋板進(jìn)行主觀按壓評價和剛度試驗(yàn)，得出定量描述蓋板剛度的假設(shè)，通過增加加強(qiáng)筋提升塌陷問題蓋板剛度后進(jìn)行主觀按壓評價和剛度試驗(yàn)，驗(yàn)證之前假設(shè)成立。

可通過駕駛員安全氣囊蓋板6點(diǎn)鐘方向剛度在施加80 N力時變形量，定量描述主觀按壓評價駕駛員安全氣囊蓋板是否偏軟塌陷。若施加80 N力時變形量小于3 mm，則主觀按壓評價駕駛員安全氣囊蓋板滿足要求。