基于擺錘試驗的安全氣囊優化

孫宇　饒思賢　高成舟

摘 要：隨著世界汽車保有量的增多，交通事故發生率越來越高，汽車的被動安全性已引起了人們的廣泛的重視。汽車安全氣囊在前期的開發過程中需要進行多次臺車、實車的碰撞試驗，試驗成本較高。為了減少后期優化的部分參數，通過擺錘試驗優化后再進行臺車、實車模擬試驗，也大大降低了開發成本。

關鍵詞：擺錘試驗;安全氣囊;優化

1 引言

汽車安全氣囊的開發需要對氣囊參數進行優化，雖然仿真在一定程度上縮減了試驗數量，減少了前期開發的成本，加快了開發周期，但是大量的靜態展開試驗、臺車試驗、實車碰撞試驗仍然是必不可少的[1]。為了盡可能的在靜態展開試驗后，減少臺車試驗、實車碰撞試驗的次數，通過擺錘試驗將部分參數提前優化，減少之后的試驗費用[2]。通過多次擺錘試驗的比對分析，對充氣器的型號、氣袋的拉帶長度、氣袋的排氣孔直徑提前做一個初步的優化。

2 擺錘試驗方法

2.1 擺錘模型的搭建

為整車約束系統開發，需要在碰撞前期定義零部件性能參數，以確保碰撞能量可以被合理的分配于各零部件上，減少成員受傷機率，故須充分了解氣囊模塊的物理特性，并以擺錘試驗機作為物理實驗，擺錘試驗所獲得的物理數據做出分析。擺錘模型就是利用能量守恒的物理公式而搭建的物理試驗裝置。總體結構配置有工裝、檢測系統、位移系統、電氣控制系統、安全系統。采用工裝定位零件，采用導軌移動治具板，采用高速相機記錄爆破的過程，采用加速度傳感器測量擺錘下落的速度。采用治具定位氣囊以保證氣囊的精準定位，采用加速度傳感器檢測擺錘下落的速度。對擺錘系統而言，需要定義擺臂等效質量，通過擺臂高度定義撞擊速度，定義擺臂的長度，對質心位置設計可固定加速度傳感器基座。對于控制系統而言，需要運用控制系統與軟件匹配進行循環檢查與確認。擺錘模型簡化的本體結構與控制流程如下圖1所示。

2.2 試驗氣囊的定位

可以根據氣囊開發的需要，自由調整氣囊展開與假人接觸的平面與豎直方向的夾角來模擬實際碰撞時真人與氣囊的接觸情況。根據本次開發的需要，考慮到人偶與氣囊的接觸為硬性接觸，且氣囊展開時會與人偶表面有相對滑移，設置的接觸面與豎直方向的夾角為0°。人偶的質心位置與方向盤下邊緣保持水平。在氣囊未展開之前，人偶胸部與方向盤安裝的模組表面預留一個氣囊充飽的厚度。

氣囊與豎直方向成不同角度的定位如下圖2所示。

2.3 高速相機及數據采集系統設置

高速相機、傳感器、數據采集系統是擺錘試驗的數據測量與分析的重要工具。高速相機：對擺錘撞擊過程進行記錄，以便于后期觀察分析，架設高速相機兩臺。傳感器：我們得到的所有數據都是通過傳感器得到，擺錘試驗所用的傳感器有安裝在人偶頭部的單軸傳感器，有安裝在質心位置的三軸傳感器，這兩個傳感器采集撞擊加速度數據。還有位于擺臂一側的兩個光電傳感器，一者為觸發點火信號，一者為采集人偶與氣囊剛好接觸時刻的速度。數據采集系統：采集系統的精度高，得到的數據誤差小，試驗更準確，測量設備定期校準，操作設備的工程技術人員要技術精湛且經驗豐富。本次試驗采用松下GX系列高速相機、三菱PLC編程的數據采集系統。

3 安全氣囊的擺錘試驗優化

3.1 優化試驗方法

在擺錘試驗中，利用傳感器以及數據采集系統采集撞擊加速度指標，高速相機在多角度對試驗過程進行影像記錄。記錄的影像能夠詳細地再現擺錘與氣囊的撞擊過程，觀察氣囊的運動狀態、氣囊的破殼露白時間、氣囊的全充飽時間、胸部與氣囊接觸時刻、通過撞擊加速度曲線進行綜合分析，對泄氣孔的大小、拉帶的長短進行修改[3]。如此往復，直到氣囊達到最佳的吸能效果。

3.2 優化試驗分析

擺錘優化試驗在氣囊展開表面與豎直方向成0°角、擺錘與氣囊表面剛好接觸時速度為5.5m/s、充氣器壓力為190 MPa的情況下進行了4次試驗，試驗的參數如下表1所示。

4次試驗的加速度曲線圖如下圖3所示。

選用排氣孔直徑為40mm的氣囊袋，試驗結果顯示在預設的撞擊速度下，人偶與氣囊在110ms的延時后開始接觸，接觸后由于氣袋充飽后發生振蕩而跟隨人偶回擺，使得在110ms到175ms之間氣囊沒有起到吸能的效果。在175ms到185ms之間，氣囊由于泄氣孔的直徑過大或者充氣器峰值壓力過小，導致氣體快速泄完，使得在185ms時刻之后，人偶與氣囊框架發生了硬性接觸。選用泄氣孔直徑為35mm的氣囊進行試驗。泄氣孔直徑為35mm的試驗結果顯示，在相同撞擊速度下，在110ms到170ms之間，氣囊的吸能效果比較理想，但是加速度峰值仍然過大，人偶承受的沖擊也會比較大。將拉帶長度改為475mm，在110ms到180ms之間，氣囊的吸能效果比較理想，且加速度峰值也相對降低，人偶承受的沖擊也相對減緩。通過4次試驗比對分析，優化泄氣孔直徑、拉帶長度，能很好地提升氣囊的吸能效果。

4 總結

通過建立搭建擺錘試驗，利用數據分析及影像分析，通過修改泄氣孔直徑、拉帶長度參數對駕駛室安全氣囊進行優化分析，提高氣囊的吸能效果、保護作用。并且一定程度上縮減了試驗數量，減少了前期開發的成本，加快了開發周期。

參考文獻：

[1]田玉耕.基于臺車試驗的汽車安全氣囊優化[J].農機使用與維修，2009（6）：28-30.

[2]王清，段敏.基于臺車試驗的汽車安全氣囊參數優化[J].汽車實用技術，2017（22）：108-109.

[3]白中浩，龍瑤，王玉龍.安全氣囊起爆模擬試驗研究[J].汽車工程，2014（12）：1483-1487.