侧气帘系统试验中的开发研究

2014-03-13冯静

北京汽车 2014年3期

冯静

（北汽股份汽车工程研究院，北京 101300）

0 引言

随着汽车被动安全系统的发展，车内安全气囊的种类和数量都逐渐增加[1]。侧气帘[2]，也称作帘式气囊、头部气囊或顶梁气囊，渐渐成为高档轿车和高配中小型轿车的必要配置。侧气帘布置在车身上边梁内板和顶蓬之间[3]。在车辆发生侧面碰撞时，侧碰传感器感知到外部撞击，向气囊控制器发布信号，控制器对信号进行分析和判断，若撞击达到了起爆要求，控制器会控制点火机构触发气体发生器，使气袋充气形成柔软的气垫，起到缓冲和吸能作用，从而保护各排外侧乘员的头部和颈部[4]。

侧气帘与周围的车身钣金和内饰件（如顶蓬及其附件、立柱饰板等）共同构成侧气帘系统。侧气帘展开速度非常快，通常在十几毫秒甚至几毫秒以内完成充气并迅速膨胀，占据周围空间[5]。对于中小型轿车来说，车内空间较局促，侧气帘附近的零件布置得较紧凑，侧气帘的展开空间受到周边零件的限制，侧气帘也会对这些零件产生一定冲击。若此冲击力过大会造成周边零件失效，主要失效形式有：顶蓬大面积撕裂甚至脱落、顶蓬扶手松脱飞出、A柱饰板局部碎裂等。失效零件上快速飞溅出的碎片会在发生碰撞时直接对乘员造成伤害或对车内设备造成破坏，进而导致乘员受伤甚至身亡。同时，国标中规定碰撞时和碰撞后，“所有内部构件在脱落时均不得产生锋利的凸出物或锯齿边，以防止增加伤害乘员的可能性”[6]。为避免零件失效伤害乘员，保证车辆零部件满足国标，需要在车型开发过程中，让侧气帘在实车环境中展开，以评价系统内零件的结构完整性和系统总体性能，预防零件缺陷。

由于实车碰撞试验成本高、试验准备周期长、试验环境不易调控等弊端，在车型开发的过程中，为了验证侧气帘系统的性能和系统内零件结构的完整性，国际上各大主机厂（如通用[7]、大众[8]）和国内很多自主品牌车企都会进行侧气帘在系统中的静态展开试验[9]（以下简称“侧气帘系统试验”），用成本低、周期短的系统模拟试验代替实车碰撞试验。同时，由于系统试验可以在高、低温试验箱中进行，模拟极寒、极热环境，可通过该试验验证侧气帘系统和系统中的零件在极端环境中的性能。

在一款自主品牌轿车的开发过程中，为考察侧气帘系统性能，做到缺陷预防，组织供应商进行了侧气帘系统试验。试验在代表整车状态的白车身上进行，同时按实际装车状态装配顶蓬、扶手、眼镜盒、遮阳板、ABC柱饰板等零件。试验在常温（+23℃）、低温（-35℃）和高温（+85℃）的环境中分别进行，需要使用环境仓。为使白车身大小适应环境仓的尺寸，试验前需对白车身进行切割和加固。以下对试验中顶蓬、顶蓬扶手和A柱饰板的失效情况和整改措施的形成、实施与验证过程进行详细的分析和研究。

1 顶蓬失效问题的整改研究

在常温试验中，顶蓬发生前部大面积撕裂（图1）、侧气帘发生器附近形成大鼓包（图2）、整体掀起脱落（图3）等失效。同时，顶蓬掀起位置高于固定在顶蓬上的扶手、眼镜盒等附件，给了附件很大的冲击，导致附件被顶蓬带下（如图 1、图 3）。

侧气帘充气从顶蓬与门框密封条和立柱饰板之间冲出的同时，顶蓬也会从密封条与立柱饰板中脱出，顶蓬边缘会向车辆内侧翻折，给侧气帘留出一定的展出空间。为了控制顶蓬的翻折位置，需要在顶蓬内表面设计弱化线，弱化线通过将厚度减薄到原来的 1/3到 1/2来实现。弱化线处强度相对周围弱，受力后，易于屈服，使顶蓬沿此线翻折。整改前顶蓬弱化线如图4所示。

通过仔细观察试验录像，可以发现顶蓬在侧气帘展开时并没有按设计的弱化线翻折，而是根据顶蓬型面随意翻折（如图 1～图3）。由图 4可见，由于弱化线在安装扶手的凹坑处被打断，没有形成连续线条；且凹坑在一定程度上起到了“加强筋”的作用，使弱化线被打断处强度加大，因此顶蓬完全无法按设计意图翻折，阻碍了侧气帘的正常展出，侧气帘充气后只能从顶蓬边缘硬挤出来，给顶蓬外侧很大压力。在膨胀气袋的作用下，顶蓬在凹坑以上任意翻折，有时翻折线甚至延伸到天窗边缘（如图 2），造成顶蓬各种形式的失效。

针对上述问题，经与顶蓬工程师进行交流，降低弱化线的位置，避开扶手凹坑，使弱化线连续。整改后的顶蓬弱化线数据状态和实物状态分别如图5和图6所示。弱化线中部曲线是为在装配时避开B柱饰板而设。

通过试验验证，整改后的顶蓬可沿弱化线翻折，在侧气帘展出的位置按设计脱出，侧气帘完全展开后，顶蓬整体保持原有的姿态。同时，也改善了顶蓬扶手脱落问题，配合扶手自身整改，解决了扶手失效问题。试验后顶蓬状态见图7。随后，进行了高温和低温系统试验，顶蓬均未出现失效，说明侧气帘系统中顶蓬失效问题整改成功。

2 顶蓬扶手失效问题的整改研究

在常温试验中，顶蓬扶手脱落（如图8所示），通过对试验后顶蓬上扶手残留物（图9）和失效扶手样件（图10）的分析，可以看出扶手脱落是由于扶手底座撕裂造成的。

由图10可见，扶手底座沿两个相互垂直面的过渡处撕裂。由于折角位置壁厚不连续，导致应力集中，强度变弱，受到冲击时，发生失效。对于上述问题，对扶手底座进行了结构优化，在底座外表面增加R1的圆角（如图11），使壁厚过渡较为均匀，一定程度上减小了应力集中，增强了扶手底座抗冲击能力。

然而，在整改件验证试验中，扶手仍然脱落。可见结构的细微变化并不能根治样件缺陷。同时，通过与材料工程师沟通，得知扶手底座所用材料为增强尼龙PA6+GF30。该材料力学性能中等，且广泛应用在汽车顶蓬扶手的生产上。在目前的成本压力下，以现供应商的实力，已无法对材料本身的强度和韧性进行提升。

因此，我们必须换个思路来解决这个问题。研究可能造成扶手底座碎裂的原因，可分为内因和外因：内因是底座材料力学性能差和结构缺陷；外因是冲击力大。如今内部整改已不可行，只能从外部下手，通过减小扶手受力解决问题。为保证侧气帘充气时间和展开形态，满足乘员保护要求，气袋充气速度和发生器充气孔尺寸和位置都不能变化，故侧气帘起爆产生的冲击力的强度和方向都固定在一定范围内。如果要减小扶手底座所受的力，只能在底座与侧气帘气袋之间增加导向和缓冲机构，一方面可以限制气袋的展开方向，减少充气早期气袋 Y方向的膨胀，另一方面挡板的弹性变形可以吸收部分能量，起到缓冲作用。

通过与供应商和顶蓬附件工程师的沟通，将挡板设计成一个钣金折弯件，并通过焊接方式固定在原扶手支架上。第一版带挡板的扶手支架见图12。侧气帘与顶蓬和扶手支架的布置关系在图13中表示。验证试验中，挡板对扶手的保护效果良好。但是，由于挡板为手工件，边缘未处理到位，存在毛刺；在气袋展开时，将气袋割破。针对此问题，对挡板边缘进行了翻边处理（如图14）。翻边方向与挡板接触气袋方向相反，使挡板与气袋接触的表面平滑，避免划伤气袋。

通过试验验证，翻边效果良好。在常温试验整改到位后，依次进行了高温试验和低温试验。高温试验中，高温气体膨胀会更加剧烈，使冲击力变大。但令人欣喜的是，扶手支架挡板发挥了作用，扶手在高温试验中并未发生失效。

然而，在低温试验中，扶手再次脱落，失效形式与常温时一致。通过分析和研究，得出失效原因为：在低温时虽然发生器气体膨胀程度会有所减弱，冲击力减小，但塑料在低温时会变脆，韧性和强度下降较大，使底座的抗冲击能力下降，更易发生失效。

为提升扶手支架挡板对扶手底座的保护性能，进行了两方面的改进：1）在保证不与周边件干涉的前提下，尽可能增大支架挡板的 X向和 Z向长度，增加挡板的导向性并扩大挡板的保护范围。前排支架挡板X向增至238 mm，后排支架挡板X向增至255 mm，Z向均增至30 mm；2）在挡板钣金上增加2条加强筋（如下图15所示），提高挡板的强度，增强保护能力。由此形成第二版带挡板的扶手支架。前后扶手支架手工件的装车状态如图16。量产后，采用工装和焊装夹具生产的挡板可以保证边缘质量，确保无毛刺，因此去掉了翻边设计。量产状态的第二版带挡板的扶手支架如图15所示。

经过试验验证，第二版带挡板支架对扶手的保护性能很好。试验完成后，扶手未脱落。试验后扶手状态如图17所示。底座处没有任何裂痕，说明底座基本没受到冲击。至此，通过整改顶蓬、扶手本身和增加扶手支架，顶蓬扶手失效问题完全整改到位。

3 A柱饰板失效问题的整改研究

A柱饰板在常温试验和高温试验中，均能保证性能和结构完整，而在低温试验中，因为材料性能恶化，上端下侧发生碎裂（如图18）。

在侧气帘展开时，为了确保气袋的形状和位置，侧气帘的前端需要设置拉带。拉带一端缝制在气袋边缘，另一端通过固定片用螺栓固定在 A柱上。通常情况下，拉带位于A柱饰板内。在侧气帘展开时，拉带从A柱饰板上端与门框密封条间挤出并拉直，拉出后状态如图19所示。

由图19可见，拉带展出的位置与A柱饰板碎裂的位置重合。因此可以推定，拉带拉出时对 A柱饰板上端造成冲击。A柱饰板的材料为PP+EPDM-T20，常温时力学性能十分优异。但由于塑料件固有的缺陷，低温时材料性能退化，较易破碎，导致零件失效。

要解决上述问题，可以从材料和结构两方面入手。与扶手底座一样，在成本压力下，更改材料的路行不通，只能从优化结构下手。若在拉带拉出的过程中，A柱前端在受到拉带挤压时可以产生弯曲变形，给拉带让出空间，就可以避免被拉带打碎。A柱饰板背面为了防止样件变形，设置了加强筋（如图 20左侧），这些加强筋直接导致饰板局部过硬，难于变形。手工削去该区域的加强筋（如图20右侧）后，进行了试验验证。

试验结果证实：在低温试验时，拉带在拉出过程中，饰板上端下侧可以被拉带弹开，空出拉带拉出空间。试验后，饰板保持完整。整改后试验结果见图21。同时，A柱饰板去筋后样件也无变形现象。A柱饰板失效问题整改完毕。