DAB开发和检验中线性冲击试验应用研究

商恩义，李月明，侯福震

(浙江吉利汽车研究院有限公司浙江省汽车安全技术研究重点实验室，浙江杭州 311228)

0 引言

当前，在汽车被动研究领域，线性冲击试验仅仅在进行安全气囊仿真分析时，作为安全气囊对标试验进行，即当仿真中安全气囊建模后，通过线性冲击试验调整模型输入参数[1]。

事实上，线性冲击试验可以基于安全气囊对头部x向的吸能作用，在DAB等安全气囊开发和检验过程中发挥其更大作用。

1 安全气囊对假人头部x向吸能性研究

1.1 假人头部x向安全气囊吸能分析

为了便于分析假人头部所受作用力及产生的加速度，规定头部受力和加速度：x向为前后方向，向前为正；y向为左右方向，向右为正；z向为上下方向，向下为正。对于颈部受力，规定：轴向为z向(张力)，拉伸为正，压缩为负；横向为x向(剪切力)，头向后、胸向前为正。加速度单位用m/s2表示，力的单位用N表示[2]。另外，50%假人头部质量取4.54 kg[3]。

在正面碰撞试验中，当配有安全气囊且安全气囊无触底时，假人头部在整个碰撞过程中通常只会受到颈部的阻止作用和安全气囊的约束作用。将颈部对头部的阻止作用力称为内力，安全气囊的约束作用力统称为外力，又碰撞中假人头部加速度存在，则假人头部受力存在外力、内力和惯性力，分析中可运用达朗贝尔原理[4-5]。

分析假人头部x方向受力情况：用Fhx、Fx分别表示假人头部x向所受外力(安全气囊作用力)、内力(颈部剪切力)，用ax、ahx分别表示假人头部x向加速度和外力作用(安全气囊作用)下的加速度，则有：

Fhx+Fx+(-4.54ax)=0

(1)

转换有：

Fhx=4.54ax-Fx

(2)

在公式(2)两端分别除以4.54，有：

ahx=ax-0.22Fx

(3)

ax和Fx在试验过程中可采集得到。因此，依据公式(3)，可计算出试验过程中假人头部x向安全气囊作用产生的加速度。

假人头部质量已知，安全气囊作用下假人头部x向加速度可求，并进而可积分出速度，则依据动能公式，碰撞过程中安全气囊从假人头部x向吸收的动能可求。

1.2 试验方案

某车型在进行50 km/h正面碰撞试验后，采集到驾驶员侧假人头部x向加速度曲线如图1，颈部剪切力曲线如图2，依据公式(3)求得安全气囊作用加速度曲线如图3。

图2中，颈部剪切力整个碰撞过程中基本全程为负值，在安全气囊作用阶段最大负向幅值为327 N。在中国新车评价规程(C-NCAP)中指定颈部负向剪切力的高性能限值为1.9 kN，低性能限值为3.1 kN，此次试验中假人颈部剪切力仅仅为高性能限值的17%，表明颈部对头部x向的影响不大。

图3中，安全气囊作用下的加速度曲线与头部加速度曲线及颈部作用下的加速度曲线相比较，头部加速度主要由安全气囊作用产生。

安全气囊作用下加速度曲线很好地反映了安全气囊作用过程：约t=22 ms时，曲线发生波动，即安全气囊罩盖打开，安全气囊展开过程产生的气流对假人头部带来冲击波动；约t=44 ms时，曲线开始正式下行，此时头部与安全气囊开始接触，头部在安全气囊作用下开始减速；约t=68 ms时，曲线下行幅值达到最大，为49g，此后，随着安全气囊的快速泄荷，碰撞强度开始降低；在约t=108 ms时，曲线归零，气囊约束过程结束。

图1中，t=108 ms后假人头部x向加速度并不为零，即安全气囊约束过程结束，并不是头部运动结束，此后，假人头部x向将发生回弹运动，但该回弹力是颈部提供的，是随着身体的回弹、颈部对头部产生回拉作用。

碰撞过程中假人头部加速度曲线反映了整个头部受到各方合力的减速过程，头部在安全气囊作用下的加速度曲线则仅仅反映了安全气囊作用下的减速过程，始于零，终于零，所围面积为安全气囊对头部x向的降速，通过动能公式进而可以计算出安全气囊对假人头部x向所吸收的能量。

将图3中安全气囊作用下的头部x向加速度曲线取反积分成速度曲线如图4。

图3 假人头部x向外力作用加速度曲线

图4 假人头部x向外力作用速度曲线

图4中，速度曲线的最大幅值为15.4 m/s，则分析案例中安全气囊相当于将头部x向由15.4 m/s的速度通过吸能降为零，安全气囊在假人头部x向所吸收的动能为538 J。

2 线性冲击试验介绍

当前，有一套气动式线性冲击试验设备。试验时，高压气源向气缸充气，将活塞杆推出，通过活塞杆将冲击头推出并达到一定速度。冲击头通过滑块滑轨导向，为了减小导轨摩擦影响，导轨采用单轨，滑块采用滚动轴承。冲击头前端为直径150 mm的球形，质量为7.3 kg。

基于当前试验条件对线性冲击试验能力进行探讨。

以23 km/h的速度进行一次DAB线性冲击试验，实测速度为22.7 km/h。试验中，冲击头与安全气囊接触的录像截图如图5，碰撞即将结束时刻的录像截图如图6。

图5 冲击头与安全气囊接触截图

图6 碰撞即将结束时刻截图

图5中，冲击头与安全气囊接触前已经完全脱离活塞杆推动作用，确保碰撞过程中只受安全气囊约束作用。另外，为保证冲击直线性，在碰撞后还留有一段导轨。

图6中，碰撞结束后，冲击头直接下落，无反弹现象。

处理冲击头加速度曲线于图7中；以22.7 km/h为初始速度处理冲击头速度曲线于图8中。

图7 冲击试验中加速度曲线

图8 冲击试验速度曲线

图7中，头部加速度曲线在碰撞初期的减速过程中波动明显，初步分析应为冲击头受导轨约束产生。当碰撞进程过半后曲线已相对比较光滑，此时恰恰是冲击头已脱离滑轨，处于完全自由状态。

图8中，冲击头的速度曲线并未完全归零，约有0.2 m/s的偏差，鉴于当前测速仪测量公差仅仅为±0.05 m/s，可排除测量误差所至，因此，速度衰减进一步确认碰撞过程中滑轨有摩擦吸能作用。

综合分析图7和图8，图7中加速度曲线始于零、终于零，成对称三角形，与实车碰撞试验中安全气囊作用下头部加速度曲线具有较好的相似性；图8中，速度曲线虽然未归零，但偏差也只有0.2 m/s，仅为3%，是完全可以接受的。

综上，从吸收能量等效角度出发，用冲击试验复现实车或台车碰撞过程中安全气囊对头部的吸能作用是可行的，如果用带有橡胶表皮，且质量为4.54 kg头型作冲击头来做冲击试验，可以更直接复现安全气囊作用下的加速度曲线，只是曲线光滑度会有偏差。当然，如果条件允许，用行人保护设备进行线性冲击试验则更好。行人保护试验用头型为标准头型，且为抛射，碰撞过程中无其他干扰，因此，复现安全气囊作用下的加速度曲线应更理想，只是成本相对太高。

3 DAB开发过程中线性冲击试验应用讨论

当前，DAB开发过程中，通常要做大量台车试验，用来调整气袋大小、拉带长度及布置方式、排气孔大小及位置、气囊起爆时间等[6]。每次台车的试验成本约为4万，每个车型的台车试验费用都将需要上百万元。另外，台车试验的试验周期相对也长，要一天左右。

事实上，DAB开发初期的大量台车试验可通过线性冲击试验进行。

在中国新车评价规程(C-NCAP)中，对头部的评价高性能限值为HIC等于650，即当HIC值小于等于650时为满分[7]。另外，对已开发的十余款车型进行统计分析，当假人头部HIC为450左右时，安全气囊作用下假人头部加速度幅值通常为55g左右，且整个过程相对光滑；速度通常为16 m/s左右。因此，DAB开发过程中进行线性冲击试验时，可以以16 m/s作为基准速度，即初始速度；以幅值为55g左右，且气囊作用阶段无扫脸峰尖、后期无触底尖峰，整个过程相对饱满、光滑的加速度曲线作为目标曲线。通过安全气囊拉带等调整，当以基准速度进行的线性冲击试验中，安全气囊作用下的加速度曲线达到或接近目标曲线时，再进行后续工作。

在约束系统开发初期通常要进行基础试验，提取开发所需车身等数据。试验中，通常装配相近车型或通过仿真等方法初选约束系统进行摸底，后续开发时，以摸底配置的安全气囊为基础进行调整。因此，在进行基础试验前，可以以基准速度为初始速度对初选安全气囊进行线性冲击试验，试验后，通过目标曲线评价其可行性。当初选安全气囊可行时，开始进行实车基础试验；当初选方案不理想时，优化后再进行基础试验。基础试验后，将试验中安全气囊作用下头部x向加速度曲线积分成速度，以该速度作为初始速度再进行线性冲击试验，并以该试验下的冲击头加速度曲线作为基础，结合仿真分析对安全气囊再次进行优化，优化结果理想后通过台车试验进行确认。台车试验通过后，再进行实车验证试验。实车验证试验通过后，将验证试验中DAB作用下假人头部x向加速度曲线作为“标准曲线”。对标准曲线进行积分，将所得到的速度定为“标准速度”。

利用线性冲击试验进行研发，减少了大量台车试验；同时，仿真试验中的线性冲击试验结合安全气囊作用下头部x向加速度曲线进行，线性冲击试验的有效性也得到提高。

另外，95%假人的头部质量为4.94 kg，5%假人的头部质量为3.73 kg。为了确认最终定型的安全气囊对95%和5%假人头部的保护作用，还可以做4.94和3.73 kg两个冲击头[9-10]。分别用4.94和3.73 kg冲击头，以标准速度为初速进行线性冲击试验，试验后，通过各自加速度曲线，来评价当前DAB对不同假人的保护效果。

4 DAB检验过程中线性冲击试验应用讨论

当前，DAB在产品检验过程中，通常要做大量静态展开试验[10]，即在静止状态下引爆安全气囊，来检查DAB是否在设计指定的点火电流下正常起爆；展开方式、展开及充满时间是否满足设计图纸要求。同时，展开过程中要求：气袋不能从总成中飞脱(例如，经过灼烧)，气袋表面不允许有撕裂或烧穿，拉带无破裂；气袋缝合线(不含设计中需要撕开的缝合线)必须保持完好，不允许有撕开现象；气囊罩应按设计指定的撕裂线打开，且无散裂；除了泡沫外,没有可能造成伤害的飞出物产生；泄气孔及气囊表面无火星喷出；气体发生器、固定孔板和固定环未开裂和明显变形等。另外，对于气体发生器要进行大量压力容器试验，即在指定容积的容器内引爆气体发生器，采集p-t曲线，与产品定型后确认的标准范围相比，确认试验样件的压力是否满足设计要求。

事实上，当前的检验方法缺少对DAB整体安全性能的直接检验。分体检验，且静态展开过程中缺少撞击条件，无法检验受撞后的保护特性，如排气孔的泄荷功能等。

通过线性冲击试验检验DAB。以标准速度作为初始速度，对待检验DAB进行线性冲击试验。试验后，在完成静态展开试验所有检查项的基础上，将采集到的加速度曲线与标准曲线进行对比，检查两条加速度曲线的一致性。当加速度曲线在标准曲线的公差范围内时，认定DAB试验样件的保护功能正常，整个产品合格。

利用线性冲击试验，不但可以执行静态展开的所有检查项，通过判断加速度曲线的一致性也检验了气体发生器的压力特性。另外，最主要是检验了DAB的保护功能，而保证DAB保护功能的一致性恰恰是检验的最终目的。

5 结论

通过对碰撞过程中安全气囊x向所吸收碰撞能量和线性冲击试验中冲击头吸能间关系的研究，最终得出如下结论：线性冲击试验中，安全气囊对冲击头吸能过程能够很好反映碰撞中安全气囊对头部的保护作用。在基础碰撞试验前，可以通过线性冲击试验确认及优化驾驶员侧安全气囊(DAB)；在DAB正式开发过程中，线性冲击试验可以取代大量台车试验检验DAB的保护性能。同时，也指出，在DAB检验过程中，线性冲击试验可以取代静态展开试验和压力容器试验，在涵盖两种试验的检查项的同时，进一步增强对DAB保护性能的检测。