一种取消金属隔热夹板的气袋结构研究

王辉 刘磊

摘 要：汽车作为陆路上比较便捷的交通工具，在行驶过程中会遇到很多突发情况，严重的会发生车辆碰撞或撞击硬物等交通事故，为了更好的保护乘员安全，越多越多的车型选择配置安全气囊。但由于气囊属于燃爆产品，通过瞬间点爆，在整车内饰件与乘员间形成一个缓冲气垫，点爆时产生的高温使得一般需要金属件进行隔热，以避免气袋布料被烧穿，有效的形成设计定义的气袋包型。本文介绍一种气袋设计方案，取消了金属隔热夹板，在满足性能的前提下，产品单件重量和成本均实现降低。

关键词：安全气囊;气袋;金属隔热夹板;涂层;烟火式

0 引言

汽车安全气囊是被动约束系统里为乘员提供缓冲气垫，避免造成二次伤害的关键部件之一，由于其要求在瞬间点爆，并形成一个有足够承托乘员面积的气垫，通常需要在约30毫秒左右的时间内产生大量的气体，要实现此性能，目前主流的气体发生器为烟火式，在点爆瞬间与出气口接触的区域需要承受高达几百摄氏度的高温气体冲刷，容易将气袋布料烧穿，进而产生非设计状态的泄气。为了耐高温，通常在发生器出气口周围设计金属隔热夹板，然而金属隔热夹板，重量偏大，材料、工艺等特性造成成本也偏高。随着汽车轻量化等要求，零部件也在寻求降重、降本方案。

1 气囊隔热夹板原理简介

当车辆传感器检测到碰撞信号，控制器决定需要点爆气囊时，控制器会发出点火指令，引爆气体发生器，气体发生器的点火药、产气药即在几毫秒时间内产生大量的气体，气体以非常高的速度冲出气孔排出，此时的气体温度高，且伴有一定的药物残渣，直接喷射在气袋材料上将容易烧穿气袋，从而造成气袋还未充满或未完全展开时，提前泄气，起不到有效保护乘员的作用。

隔热夹板的主要作用，即在气体发生器出气孔与气袋之间形成一道挡墙，在气体冲出时先喷射到夹板侧壁上，由金属加热起到直接降温的效果，加长了高温气体接触气袋的时间，同时在高温气体冲击夹板时，一部分残渣直接黏附在夹板上，不会对气袋造成灼伤。

2 气囊点爆的性能要求

安全气囊通过瞬间点爆在乘员与整车内饰件之间形成一个缓冲气垫，以避免乘员头部、胸部在发生碰撞时直接撞击内饰件，造成二次伤害。气囊需要在汽车发生碰撞后迅速作出反应，并在乘员受惯性运动到接触内饰件之前形成一个面积大小、压力合适的气垫，并在乘员接触后开始按照设计要求开始泄气，避免压力太大将乘员撞伤，或者压力太小，起不到有效支撑作用，乘员撞击时发生气袋击穿。

GB/T19949.2及ISO12097.2，以及一些主机厂对试验后模块的性能大体要求需满足如下条件：

（1）囊袋展开方向须稳定且满足设计要求，即能满足设计所要求的保护区域;

（2）模块在展开过程中，不允许出现影响保护性能的偏移、旋转等设计要求以外的不稳定现象（偏移角度≤15°）;

（3）不允许出现破坏囊袋的现象，囊袋的缝线须保持完整;

（4）相关组件在展开过程中，除了设计要求的零部件外，不允许出现脱落、松脱、碎裂等现象，但允许有轻微的变形。

2.1 气囊结构改进的需求

传统汽车面料节能减排的压力，需要对整车进行减重，新能源汽车对整车装备重量亦非常敏感，由于整车轻量化要求，零部件需要在材料、结构上实施减重，同时降低单件成本，提升产品竞争力。

2.2 优化模型的建立

基于常规隔热夹板是金属件，需要冲压，倒钝、铆接等多道工序，产品质量重，且钣金件容易产生毛刺。在裝配环节也需要将夹板塞入气袋开口中，装配难度大。

结合气袋布料增加涂层应用成熟化，设计结构考虑采用硅胶涂层的气袋布取代金属夹板，由于气袋面料只需裁剪、缝纫即可，从工艺方面可以减少工序，从材料使用方面可以减重。

取消隔热夹板后，原通过夹板紧固的螺柱铆接在发生器的法兰上，气囊总成件减少一个部件的使用，工序上减少装配一个件，在性能方面，气体发生器喷出的其他直接作用在带涂层布料上。空间结构上，由于气袋的柔韧性，折叠后的气袋空间占用比金属夹板小很多，螺栓集成在气体发生器法兰上，气体发生器直接装入气袋内，也减小了对气囊底部空间的占用，面对气囊造型的小型化趋势需求，也给造型工程师提供了发挥空间。

带夹板的结构安装过程：

（1）将夹板按照防错结构装入PAB气袋中;

（2）对气袋进行设定方式（有序或者无序）折叠;

（3）折叠好气袋后按照防错结构规定方向装入集气盒中;

（4）将已经装好LOGO的饰盖装配到集气盒上;

（5）发生器从外侧装配到集气盒上;

（6）用四个自锁螺母紧固气体发生器;

（7）装配其他如弹簧等附件;

（8）点爆时，高温气体从发生器出气口喷出，首先经过夹板阻挡，然后与气袋相遇。

不带夹板的结构安装过程：

（1）将发生器按照防错结构装入PAB气袋中;

（2）对气袋进行设定方式（有序或者无序）折叠;

（3）折叠好气袋后按照防错结构规定方向装入集气盒中;

（4）将已经装好LOGO的饰盖装配到集气盒上;

（5）用四个自锁螺母装配气体发生器;

（6）装配其他如弹簧等附件;

（7）点爆时，高温气体从发生器出气口喷出，直接与气袋布料相遇。

2.3 优化模型的验证

气囊是安全件，对安全性能有着特殊的要求，在结构设计发生变化后，针对国标、ISO及客户企标要求的性能进行试验验证。

按照试验标准，气囊需要满足极限发生器的点爆时间，模拟环境温度分别在85℃、23℃、-35℃环境下的点爆试验，另由于汽车需要长周期使用后，气囊点爆性能不能衰退，影响乘员安全，还需要进行环境模拟试验，确保气囊产品在十年的时间内性能符合设计目标。

通过高温点爆试验、常温点爆试验、低温点爆试验，以及极限发生器的点爆试验和环境处理后的样件点爆试验，试验结果表明，优化的结构设计可以满足气囊点爆性能要求，过程中没有出现气袋烧蚀/表面灼烧的问题。

3 结束语

汽车零部件产品开发，基于DFMEA设计理念，零部件的性能要求按照检测方法和验收标准体现在各项标准（如国家标准、行业标准、企业标准、国际标准等）及产品设计验证计划（DVP）中，结合经济适用性，零部件也需要适用市场需求不断的减重、降本，以提升产品竞争力。

针对本文介绍的不带金属隔热夹板的气袋结构，可以有效的减少产品材料&品种使用，减少制造&装配工序，降低产品重量，减小零部件的空间占用，为整车检车提供贡献，为设计造型提供更多发挥空间。产品性能经过高温、常温、低温及环境试验等试验验证后，符合设计目标要求。为零部件减重、降本，提升竞争力提供了行之有效的解决方案。

参考文献：

[1]洪永福.汽车总体设计（第2版）[M].机械工业出版社，第2版，2020.4.26.

[2]邱国华.汽车内外饰设计[M].机械工业出版社，第1版，2019.1.7.

[3]泛亚内饰教材编写组刘启明.汽车内饰设计概论[M].人民交通出版社，第二版，2012.2.