整車(chē)被動(dòng)安全設(shè)計(jì)之氣囊設(shè)計(jì)

張路 林祥輝

極氪汽車(chē)（寧波杭州灣新區(qū)）有限公司 浙江省寧波市 315336

1 前言

安全氣囊屬于被動(dòng)安全范疇，既然是屬于被動(dòng)安全，那么安全氣囊主要還是從被動(dòng)的角度去保護(hù)駕乘人員。對(duì)于駕駛員，主要的約束系統(tǒng)是安全帶、安全氣囊、方向盤(pán)（含轉(zhuǎn)向管柱）、儀表板和座椅；對(duì)于副駕駛員則沒(méi)有轉(zhuǎn)向系的約束。整車(chē)碰撞時(shí)，一次碰撞是汽車(chē)和其它物體的撞擊，二次碰撞是車(chē)內(nèi)駕乘人員與車(chē)內(nèi)內(nèi)外飾的碰撞，約束系統(tǒng)則是避免或減少二次碰撞傷害的零部件，安全氣囊則是緩和碰撞傷害的關(guān)鍵部件。據(jù)統(tǒng)計(jì)，單獨(dú)使用安全氣囊可以減少18%的死亡率，與安全帶配合使用則可減少47%的死亡率。安全氣囊的使用，只能減少或降低乘客的傷害程度，需要配合其它約束系統(tǒng)一并使用。

對(duì)于沒(méi)有安全氣囊的車(chē)型，在進(jìn)行正面碰撞試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)整車(chē)耐撞性及部分約束系統(tǒng)的優(yōu)化，一般經(jīng)過(guò)多輪優(yōu)化，正碰還是可以通過(guò)法規(guī)的要求。若部分車(chē)型難以滿足法規(guī)，則大概率問(wèn)題是出在頸部和頭部的傷害，這兩個(gè)位置的防護(hù)，把安全氣囊配置加上則不會(huì)再出現(xiàn)問(wèn)題。安全氣囊要與安全帶等約束系統(tǒng)配合使用才能發(fā)揮最大作用，則在進(jìn)行安全氣囊的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)是，需要關(guān)聯(lián)其它的約束系統(tǒng)、統(tǒng)籌開(kāi)發(fā)，如安全帶、座椅、兒童保護(hù)、內(nèi)飾件碰撞保護(hù)方面等等，還要考慮對(duì)氣囊系統(tǒng)有很大影響的其它方面的融合，如電磁兼容、粗糙路面、誤操作等。

2 基本原理

前文分析到，二次碰撞是駕乘人員與車(chē)內(nèi)內(nèi)外飾之間的碰撞，而氣囊就是在一次碰撞發(fā)生后、二次碰撞發(fā)生前，在人體與內(nèi)外飾之間爆出氣囊，承接住人體的碰撞能量，讓人體緩沖停止，從而達(dá)到保護(hù)乘員的目的。由于碰撞在一瞬間完成，整個(gè)車(chē)輛碰撞過(guò)程一般最長(zhǎng)也不會(huì)超過(guò)200ms，一般在100ms 左右即結(jié)束；另外，還需要駕乘人員是緩和的與氣囊接觸，這都要求在氣囊上開(kāi)排氣孔；這樣，當(dāng)駕乘人員和氣囊接觸時(shí)，排氣孔放氣既可以釋放沖擊動(dòng)能，又可以解決氣囊震蕩而造成駕乘人員傷害的情況，這個(gè)排氣孔的設(shè)計(jì)則需要按需進(jìn)行實(shí)際標(biāo)定。

安全氣囊的工作過(guò)程如下：當(dāng)發(fā)生碰撞事故時(shí)，傳感器接受到整車(chē)加速度（減速度）信號(hào)，并傳遞給控制器（ACU 或MDS），控制器進(jìn)行運(yùn)算處理判斷是否達(dá)到氣囊起爆的閾值；當(dāng)判斷已經(jīng)達(dá)到閾值，則發(fā)出氣囊點(diǎn)火信號(hào)以觸發(fā)氣體發(fā)生器，后點(diǎn)火并產(chǎn)生大量氣體給氣囊充氣。如果將氣囊在內(nèi)部高壓作用下沖破模塊面蓋的時(shí)刻定為0ms，約需10ms 的時(shí)間氣袋沖出，20ms 氣袋已基本展開(kāi)，30ms 后氣袋完全充滿氣體，工作過(guò)程見(jiàn)表1 所示。整個(gè)過(guò)程控制要十分精準(zhǔn)，使得乘員與一個(gè)較柔軟的吸能緩沖物件相接觸，而不是與汽車(chē)內(nèi)飾件猛烈碰撞。

表1 安全氣囊工作過(guò)程表

氣囊動(dòng)作時(shí)間極短，從開(kāi)始充氣到完全充滿的時(shí)間約為30ms；從汽車(chē)受碰撞開(kāi)始，到安全氣囊收縮為止，僅為120ms 左右，而人的眼皮眨一下所用時(shí)間約為300ms 左右。

安全氣囊首要考察的是可靠，可靠性不能通過(guò)，則更談不上安全。不該起爆充氣的時(shí)候打開(kāi)氣囊稱之為誤點(diǎn)火或誤爆或誤作用；應(yīng)該點(diǎn)爆的時(shí)候沒(méi)有點(diǎn)爆是漏點(diǎn)火；點(diǎn)爆太晚則是遲點(diǎn)火；無(wú)論是誤作用、漏點(diǎn)火、還是延遲點(diǎn)火均是絕不允許的。這些不可靠性，首先要從設(shè)計(jì)的角度進(jìn)行多輪標(biāo)定與驗(yàn)證；同時(shí)，為了防止電源線在碰撞中斷線、電池遭到破壞，系統(tǒng)中備有儲(chǔ)能電容或電池進(jìn)行冗余；為了檢測(cè)傳感器、電子電路、氣體發(fā)生器，還設(shè)計(jì)有故障診斷模塊，并設(shè)有信號(hào)燈予以顯示。

3 設(shè)計(jì)原則

安全氣囊是一個(gè)多學(xué)科交叉的產(chǎn)物，集機(jī)械、電子、火藥、紡織、軟件于一體的產(chǎn)品，氣囊的控制又在毫秒級(jí)；同時(shí)，氣囊的點(diǎn)爆與車(chē)身結(jié)構(gòu)與性能也是相關(guān)聯(lián)（汽車(chē)的重量、結(jié)構(gòu)耐撞性等都會(huì)影響氣囊的設(shè)計(jì)參數(shù)）。故，氣囊的通用性是很差的，基本上都是專車(chē)專用。

在安全氣囊設(shè)計(jì)中，三要素是氣袋容積、壓力、排氣孔大??；重要的參數(shù)包括充氣時(shí)間、速度、壓力、溫度和氣體的質(zhì)量等；安全氣囊的工作過(guò)程十分復(fù)雜，在進(jìn)行氣囊設(shè)計(jì)時(shí)，需進(jìn)行綜合考慮：

1) 基礎(chǔ)曲線：這里所說(shuō)的基礎(chǔ)曲線，是整車(chē)碰撞的加速度曲線。在進(jìn)行氣囊設(shè)計(jì)之前，需要采集目標(biāo)車(chē)型的整車(chē)加速度曲線，這個(gè)曲線代表了整車(chē)被動(dòng)安全結(jié)構(gòu)這一方面的性能水平，同時(shí)為氣囊設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供了依據(jù)（比如，需要依此標(biāo)定起爆與不起爆的閾值）；

2) 氣囊尺寸：氣囊的尺寸需要結(jié)合車(chē)型的具體空間、人機(jī)情況予以設(shè)定，當(dāng)然，在現(xiàn)有汽車(chē)行業(yè)大發(fā)展的進(jìn)展下，可以考慮先去尋找現(xiàn)有資源予以匹配；

3) 氣體發(fā)生器：發(fā)生器的設(shè)計(jì)需結(jié)合具體的氣囊標(biāo)定、氣囊尺寸、排氣與保壓特性先匹配；

4) 壽命：需結(jié)合整車(chē)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)壽命進(jìn)行設(shè)定；

5) 材料：氣囊的材料主要涉及氣囊金屬殼體、氣囊包的布料以及縫合線以及火藥等，金屬殼體一般是高強(qiáng)鋼、而火藥則是需要化學(xué)穩(wěn)定性高；

6) 氣袋的折疊方式：直接影響氣囊的展開(kāi)過(guò)程，以致會(huì)影響對(duì)人體的沖擊程度；

7) 總布置：氣囊的布置位置、角度等。

4 氣囊開(kāi)發(fā)試驗(yàn)

4.1 基礎(chǔ)試驗(yàn)與數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)：

首先進(jìn)行一個(gè)基礎(chǔ)試驗(yàn)(BASE LINE)試驗(yàn)（50km/h 正面碰撞、GB-11551 進(jìn)行，如果開(kāi)發(fā)車(chē)型需要同時(shí)滿足ECE R94 的要求，則還應(yīng)進(jìn)行56km/h 的40%偏置碰撞試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)），該試驗(yàn)的試驗(yàn)?zāi)康氖窃u(píng)定車(chē)身性能并采集車(chē)輛的加速度數(shù)據(jù)。如果BASE LINE 試驗(yàn)完成，試驗(yàn)結(jié)果的各項(xiàng)數(shù)據(jù)除了頭部、胸部、腿部傷害指標(biāo)外，均滿足GB-11551 要求，則會(huì)進(jìn)行設(shè)定速度的基礎(chǔ)碰撞試驗(yàn)，同時(shí)，進(jìn)行各種壞路和誤操作試驗(yàn)，采集相應(yīng)的加速度信號(hào)。

一般情況下，我們會(huì)在下面這些點(diǎn)裝測(cè)量加速度的傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集：左側(cè) A柱下部、右側(cè)A 柱下部、左側(cè)B 柱下部、右側(cè)B 柱下部、左側(cè)前排座椅下橫梁中點(diǎn)、右側(cè)前排座椅下橫梁中點(diǎn)、中央通道、ECU 頂部、ECU 側(cè)面、ECU 后部、右邊側(cè)碰傳感器安裝點(diǎn)、左邊側(cè)碰傳感器安裝點(diǎn)、ECU PCB 板（ECU 傳感器位置）、前 端結(jié)構(gòu)左側(cè)（衛(wèi)星傳感器位置）、前端結(jié)構(gòu)中部（衛(wèi)星傳感器位置）、前端結(jié)構(gòu)右側(cè)（衛(wèi)星傳感器位置）、油箱、發(fā)動(dòng)機(jī)頂部、儀表板。通過(guò)在這些關(guān)鍵位置裝加速度傳感器，我們可以獲得試驗(yàn)中瞬時(shí)的加速度數(shù)值，并擬合成曲線。

BASE LINE 試驗(yàn)與數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)的目的是采集不同速度下車(chē)輛的加速度信號(hào)，為模塊參數(shù)優(yōu)化、SDM 標(biāo)定做準(zhǔn)備。（數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)包含基礎(chǔ)試驗(yàn)）

4.2 臺(tái)車(chē)試驗(yàn)階段：

臺(tái)車(chē)試驗(yàn)即將所配車(chē)型的白車(chē)身、座椅、安全帶、儀表板、方向盤(pán)、轉(zhuǎn)向柱、組合開(kāi)關(guān)等氣囊系統(tǒng)相關(guān)部件固定于一剛性平臺(tái)上，剛性平臺(tái)撞擊吸能緩沖器，模擬實(shí)車(chē)碰撞的具體形式，以確定氣囊系統(tǒng)與整車(chē)之間的匹配參數(shù)，視具體情況，臺(tái)車(chē)試驗(yàn)會(huì)在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中多次進(jìn)行。

臺(tái)車(chē)試驗(yàn)的目的是根據(jù)第一階段基礎(chǔ)試驗(yàn)中所采集到的各種車(chē)速時(shí)車(chē)輛的加速度值標(biāo)定SDM，優(yōu)化模塊參數(shù)；對(duì)安全氣囊系統(tǒng)樣件在不同的速度下、在碰撞臺(tái)架上的碰撞試驗(yàn)中是否能夠達(dá)到乘員保護(hù)的要求進(jìn)行檢測(cè)并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果對(duì)乘員約束系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整直至完全符合要求，并確認(rèn)氣囊包形和最佳發(fā)火時(shí)間及驗(yàn)證零部件結(jié)構(gòu)。

4.3 驗(yàn)證試驗(yàn)階段：

該階段的試驗(yàn)?zāi)康氖球?yàn)證安全氣囊系統(tǒng)能否改善乘員在碰撞中受到的傷害值，并確認(rèn)是 滿足標(biāo)準(zhǔn)或者預(yù)定要求（BASE LINE 試驗(yàn)部分）；同時(shí)考察氣囊系統(tǒng)能否滿足在各種狀況（Misuse test、Fire/No fire、300 斜角碰撞試驗(yàn)、柱撞試驗(yàn)等）時(shí)不會(huì)出現(xiàn)誤爆，不爆等情況；根據(jù)驗(yàn)證試驗(yàn)情況可能會(huì)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行修正；最終會(huì)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行EMC（電磁兼容試驗(yàn)）試驗(yàn)。通過(guò)CAE 分析及Sled test 的使用，可最大限度的減少試驗(yàn)整車(chē)數(shù)量及開(kāi)發(fā)周期。

4.4 SDM/ACU 標(biāo)定:

◆ 安全氣囊的目標(biāo)點(diǎn)火時(shí)刻：

目標(biāo)點(diǎn)火時(shí)刻是指：也就是點(diǎn)火閥值，是控制系統(tǒng)的控制目標(biāo)，既不能早點(diǎn)火、也不能遲，需要精細(xì)標(biāo)定以達(dá)到剛剛好。這個(gè)點(diǎn)火閾值的大小需要與碰撞減速度進(jìn)行匹配，而碰撞過(guò)程瞬間完成，這個(gè)時(shí)間把握非常重要。

確定點(diǎn)火時(shí)刻：前文所述，安全氣囊需要配合其它約束系統(tǒng)進(jìn)行作用，那我們?cè)谶M(jìn)行氣囊的設(shè)計(jì)時(shí)，還要聯(lián)合座椅、安全帶、方向盤(pán)、人體運(yùn)動(dòng)等的特性，只有明確了他們之間的相互作用，才能判斷點(diǎn)火時(shí)刻。另一方面，氣囊是個(gè)多學(xué)科綜合體，我們還需要研究氣囊自身的熱力學(xué)與流場(chǎng)問(wèn)題，氣囊的作用是一邊產(chǎn)生氣體，一邊從排氣孔釋放氣體，同時(shí)還要承受駕乘人員的沖擊；第三，駕乘人員的實(shí)際坐姿是隨機(jī)的，安全氣囊對(duì)于此的保護(hù)也要有冗余設(shè)計(jì)，需要研究清楚氣囊形狀、內(nèi)部壓力、溫度等因素在氣囊展開(kāi)過(guò)程中的相互關(guān)系。

◆ 目標(biāo)點(diǎn)火時(shí)刻的確定方法：

5in-30ms 準(zhǔn)則：這個(gè)是通用方法，30ms 是氣囊從點(diǎn)火到充滿氣體的時(shí)刻，對(duì)應(yīng)的是乘員向前移動(dòng)5in。這個(gè)依據(jù)是：大多數(shù)轎車(chē)乘員與方向盤(pán)之間的間距為305mm，氣囊充氣后的厚度為178，氣囊從點(diǎn)火到充滿氣體的時(shí)間為30ms，這樣當(dāng)乘員前移127mm這一時(shí)刻的前30ms為最佳點(diǎn)火時(shí)刻。

4.5 其它試驗(yàn)：

零部件性能試驗(yàn)：

·· 方向盤(pán)性能試驗(yàn)-硬度、泡沫層位斷延伸率、沖擊試驗(yàn)、抗扭試驗(yàn)、斷裂試驗(yàn)、輪轂強(qiáng)度試驗(yàn)、共振特性試驗(yàn)、彈性變形試驗(yàn)、固有頻率下耐久性試驗(yàn)、扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)、正弦波形載荷試驗(yàn)、電氣性能試驗(yàn)等；

·· 氣囊模塊性能試驗(yàn)-硬度、靜態(tài)展開(kāi)試驗(yàn)（-35℃、23℃、+85℃）、跌落試驗(yàn)、機(jī)械沖擊試驗(yàn)等；

··螺旋電纜性能試驗(yàn)-圈數(shù)、壽命、溫度交變、電氣性能等。

環(huán)境與性能試驗(yàn)：

由于本開(kāi)發(fā)程序假設(shè)ECU 硬件和氣體發(fā)生器采用成熟的己經(jīng)批量生產(chǎn)的產(chǎn)品，因此再不需要對(duì)ECU 硬件和氣體發(fā)生器進(jìn)行單獨(dú)的全部產(chǎn)品性能試驗(yàn)。產(chǎn)品驗(yàn)證試驗(yàn)應(yīng)主要考核產(chǎn)品總成模塊的性能和實(shí)車(chē)碰撞性能。

氣囊模塊的性能需要外觀確認(rèn)后進(jìn)行，根據(jù)ISO-12097-2 的要求將主要考慮以下試驗(yàn)項(xiàng)目：跌落測(cè)試、陽(yáng)光輻射模擬、鹽霧試驗(yàn)；機(jī)械沖擊、振動(dòng)溫度循環(huán)試驗(yàn)、粉塵試驗(yàn)；熱度濕度循環(huán)、溫度沖擊試驗(yàn)、靜態(tài)展開(kāi)試驗(yàn)等。

臺(tái)架試驗(yàn)：

全部氣囊系統(tǒng)零部件（方向盤(pán)、氣囊模塊、螺旋電纜、線束、ECU）等）及相關(guān)零部件（轉(zhuǎn)向柱管、組合開(kāi)關(guān)、儀表臺(tái)等）按實(shí)際生產(chǎn)狀態(tài)完整裝配于臺(tái)架上，模擬實(shí)車(chē)在實(shí)際運(yùn)行狀況下的振動(dòng)狀態(tài)，檢驗(yàn)氣囊系統(tǒng)部件是否發(fā)生共振、松動(dòng)、磨損等問(wèn)題。此實(shí)驗(yàn)需要搭載主機(jī)廠臺(tái)架試驗(yàn)進(jìn)行。

注意事項(xiàng)：

安全帶與座椅等法規(guī)件需要通過(guò)強(qiáng)檢合格后才可進(jìn)行氣囊匹配試驗(yàn)（基礎(chǔ)試驗(yàn)、數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)、臺(tái)車(chē)試驗(yàn)、驗(yàn)證試驗(yàn)），防止因?yàn)槿珟c座椅本身問(wèn)題導(dǎo)致約束系統(tǒng)的失效，影響全系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。

5 試驗(yàn)矩陣

試驗(yàn)矩陣表因市場(chǎng)、法規(guī)、平臺(tái)、車(chē)型不同而有差異，以下信息影響試驗(yàn)矩陣及資源需求配置的制定：

表2 雙氣囊標(biāo)定試驗(yàn)矩陣

布置形式：前艙X 向間距、乘員艙約束系統(tǒng)布置。

若前艙X 向空隙間距增大，可能會(huì)導(dǎo)致碰撞加速度峰值減小，點(diǎn)火時(shí)刻因此可能會(huì)延遲，碰撞時(shí)假人的運(yùn)動(dòng)位置和速度會(huì)發(fā)生變化，假人接觸氣囊的時(shí)刻發(fā)生變化，從而影響安全氣囊系統(tǒng)對(duì)假人的保護(hù)效果。低門(mén)限為不起爆門(mén)限，因此在這種情況下應(yīng)該更不會(huì)起爆。所以此處可不進(jìn)行低門(mén)限試驗(yàn)的驗(yàn)證，但需要進(jìn)行高門(mén)限的驗(yàn)證。其次，若在前艙前部?jī)蓚?cè)的布置形式發(fā)生變化，則還需要再進(jìn)行300 角碰驗(yàn)證。

約束系統(tǒng)布置形式發(fā)生較大變化，也需要重新進(jìn)行氣囊匹配，甚至?xí)绊懙綒饽椅锢硇螒B(tài)的變化。如方向盤(pán)安裝角度及前后距離的變化、座椅高度及前后位置變化、安全帶形式的變化都會(huì)影響到氣囊對(duì)乘員的保護(hù)效果。

車(chē)身結(jié)構(gòu)：主要考察車(chē)身前部結(jié)構(gòu)，如依維柯由客車(chē)改廂式貨車(chē)——?dú)饽铱赏ㄓ?，而由客?chē)改卡車(chē)則要視情況而定（特別是單排貨車(chē)，車(chē)身上部的力傳遞特性已變化）。車(chē)身結(jié)構(gòu)一面影響到前部變形形態(tài)，一面影響到碰撞加速度波形。相對(duì)于客車(chē)和卡車(chē)，只是后部結(jié)構(gòu)有差異，重點(diǎn)影響的是加速度波形，若碰撞特性變化不大則可通用。

整車(chē)質(zhì)量：氣囊開(kāi)發(fā)主要考察的是空載狀態(tài)下的整車(chē)安全，整車(chē)質(zhì)量的大小對(duì)整車(chē)耐撞性能及氣囊標(biāo)定有重大影響，一般質(zhì)量差別在5%以內(nèi)可視同（但絕不可超過(guò)8%）。

正面碰撞安全氣囊標(biāo)定時(shí)，是以Hybrid Ⅲ 50%男性假人作為設(shè)計(jì)依據(jù)的，也就是說(shuō)此安全氣囊對(duì)此型號(hào)人的保護(hù)效果最好，對(duì)于95% 的人保護(hù)弱一些，對(duì)小個(gè)子人的保護(hù)效果更差，但具體保護(hù)效果的差別還有待進(jìn)一步的研究。以雙氣囊為例，試驗(yàn)矩陣示例如表2 所示。

6 總結(jié)

在設(shè)計(jì)安全氣囊過(guò)程中，還需注意其它的一些事項(xiàng)：氣囊的設(shè)計(jì)與標(biāo)定很復(fù)雜且精準(zhǔn)，一款氣囊及其程序匹配一款車(chē)型；ACU/MDS 的位置布置要選擇碰撞后不變形、或變形小、且能夠很好接收碰撞信號(hào)的位置、且其周?chē)鷽](méi)有其它部件干擾、不會(huì)有其它部件、物體、液體等的侵入；時(shí)鐘彈簧、線束與氣囊等的接口要對(duì)接可靠，且必須要有自鎖能力。試驗(yàn)車(chē)及試驗(yàn)零部件狀態(tài)一致性要好，最好選用工裝件，特別是車(chē)身不能在試驗(yàn)時(shí)或者試驗(yàn)后有大的更改。