乘客安全气囊子系统发展趋势探究

2021-12-04程旭刘博俊

商品与质量 2021年41期

程旭刘博俊

长春富维安道拓汽车饰件系统有限公司吉林长春 130033

由于汽车市场保有量的增加，道路的交通事故越来越多，损失也越来越大，世界各国对汽车安全性都做出了强制性的要求[1]。我国也于2006年3月2日正式发布的首版中国新车评价规程（C-NCAP）。按照乘员保护与事故发生时刻间的关系，汽车的安全系统可大体分为主动安全系统和被动安全系统。安全气囊作为车辆被动安全系统的重要组成部分，可以提高车辆对乘员安全保护的作用，大幅降低事故中人员伤亡的数量。据统计，装有安全气囊的汽车发生前部碰撞，驾驶员的死亡率：大客车降低30%，中客车降低11%，轿车降低14%[2-3]。

汽车安全气囊系统，简称 SRS（Supplement Restraint System），是一种辅助保护系统[4]。随着整车安全性的要求，安全气囊技术被大量采用，车辆配备安全气囊的数量越来越多，有正面的，有侧面的，数量也由最初的一、二个，增加到八个、十个[5]。在一些高端豪华汽车上，甚至已配备十二个安全气囊，如宝马（BMW7）系列，可防止碰撞及事故产生的人员伤亡[6]。

在车辆安全气囊系统中，乘客安全气囊是所有安全气囊系统中体积最大，开发难度最高的气囊。如果在安全气囊展开的过程中，或囊袋损坏或系统产生碎片飞出，都极易使安全气囊失去保护作用或对乘客造成二次伤害。气囊静态点爆试验作为乘客安全气囊在开发过程中的重要验证手段，其试验结果直接影响项目的整体开发认可进度以及整车的安全可靠性。因此，掌握仪表板及安全气囊发展趋势，对于未来的仪表板及安全气囊开发工作具有十分重要的指导意义。

1 乘客安全气囊子系统组成

在气囊静态点爆试验中，乘客安全气囊子系统主要是由仪表板、安全气囊以及车身环境零件组成，涉及的主要零部件如图1。

图1 乘客安全气囊子系统零件结构图

乘客安全气囊静态点爆试验，试验前将仪表板、安全气囊等子系统零件模拟整车装配条件安装到车身夹具上，按照要求的试验温度（通常为-35℃、23℃、85℃）对子系统进行存放。在存放到规定的时间后，由控制系统激发点火电流，完成静态点爆试验。为提高系统的可靠性，部分主机厂除验证常压安全气囊外，还要求对极限安全气囊（高压、低压）进行验证。

整车安全气囊的要求是能够为乘员提供安全可靠的保护功能。因此，静态安全气囊点爆试验主要考察的是安全气囊能否能够实现对乘客的保护作用以及在安全气囊展开过程中是否存在可能对乘客造成二次伤害的潜在风险。故对子系统中各零部件功能及要求如下：

a.仪表板——为安全气囊提供支撑及固定，试验后保证仪表板完整性，无设计外的碎片飞出（或飞出满足要求）或功能性损坏；

b.安全气囊——车辆发生碰撞后安全气囊按照设计要求展开，提供乘员保护功能；

c.车身环境零件——模拟整车试验条件，为子系统提供支撑及固定，且不能对子系统保护作用产生影响或对乘员造成二次伤害。

车身环境零件主要起到固定及支撑作用，其发展变化对试验影响相对较小，本文不做分析研究。

2 乘客安全气囊子系统发展趋势探究

2.1 仪表板发展趋势探究

在乘客安全气囊子系统的静态点爆试验中，仪表板系统中对试验结果产生影响的零件主要有表皮（含软化层）、上体、风道、气囊支架，其中表皮（含软化层）仅针对软质仪表板。

相对于硬质仪表板，软质仪表板中表皮和软化层的应用能够改善仪表板的触感，提升终端消费者的驾乘体验。目前国内汽车市场上，软质仪表板已经涵盖高、中、低档的众多车型，并且应用率仍在逐年上升。以富维安道拓公司研发项目为例，表皮材料也处于不断变化改进中，如图2。

图2 软质仪表板表皮材料变化趋势

从上表中可以看出，自2018年开始，由传统的聚氯乙烯（PVC）粉料全部切换为改性PVC粉料，相较传统PVC粉料，其低温拉伸强度提升40%，断裂伸长率降低88%。传统PVC和改性PVC低温静态气囊点爆试验效果对比如图3，改性PVC粉料可以改善表皮的撕裂状态，减少表皮飞出的数量，降低对乘员造成二次伤害的风险。自2021年开始，低温性能更为优异的PU材料开始投入使用，其可以完全解决低温表皮碎裂飞出的问题。从表皮材料变化可以看出，低温性能优异成为表皮材料的发展方向。

图3 低温试验效果对比

硬质仪表板以其工艺相对简单，制造成本较低的优点，多被应用于中低端车型。由于硬质仪表板没有软化层，爆破过程中缺少相应的吸能单元，试验后上体容易出现裂纹或尖角，对气袋或乘客造成伤害，影响安全气囊系统的可靠性。所以硬质仪表板对气囊支架铰链的吸能作用及上体和风道的材料的抗冲击性要求较高。对于硬质仪表板来讲，吸能是气囊静态点爆试验中首要考虑的问题。硬质仪表板上体、风道及气囊支架铰链材料发展变化趋势如图4。

图4 硬质仪表板材料性能变化趋势

上体材料主要为改性聚丙烯（PP），今年来其缺口冲击性能整体呈现升高趋势，升高比例约29.7%；风道在满足通风的要求的同时，还起到提高仪表板整体刚度的作用。因此，风道的缺口冲击随着上体材料缺口冲击的升高，整体呈下降趋势，下降趋势约75.9%。这样要求的目的在于爆破过程中满足上体吸能的同时，又能保证仪表板的整体刚度要求。但材料韧性提高的同时，其耐刮擦性能通常会变差。所以对于上体材料而言，既要有较高的缺口冲击性能，又要满足耐刮擦性能。气囊支架铰链材料也由单一的聚烯烃热塑性弹性体（TPO）过渡为TPO与织物组合的形式，在提高铰链可靠性的同时，依靠织物降低气囊门与仪表板上体之间的撞击程度，达到吸能的要求。

气囊支架在爆破过程中直接受到气袋的冲击，是乘客安全气囊子系统静态点爆试验中最为重要的零件之一。其既要满足安装固定安全气囊的要求，又要起到引导囊袋展开的作用，且爆破后不能产生可能造成囊袋破损的尖角。软质仪表板的气囊支架经历了分体式，部分集成式（仅织物铰链与上体集成，气囊支架外框为单独零件，如图5a，图中红色部分为织物铰链），再到完全集成式（气囊支架与上体完全集成，如图5b）

图5 气囊支架结构

的发展过程。（包覆仪表板对表面缩痕要求较高，不适合采用集成式设计）完全集成式气囊支架简化了注塑和焊接步骤，工序简单，成本较低，是未来仪表板设计的一个方向。同时铰链材料也由刚性的金属材料转变为柔性织物材料，既满足了轻量化的发展需求，又增加了铰链设计的自由度。气囊支架结构及材料的详细发展过程如图6。

图6 软质仪表板气囊支架变化趋势

2.2 安全气囊发展趋势探究

美国人约翰•赫特里特（John Hertrick）在1953年设计了一个名为“汽车用安全垫”的装置并申请专利，专利中描述了一种类似于当今的安全气囊的设备，这也通常被认为是安全气囊研究及应用的开始[7]。自此，经过几十年的升级换代，安全气囊的材料及结构设计越来越成熟。对乘客安全气囊而言，其结构主要分为气袋、罩布、壳体以及气体发生器几部分（如图7）。

图7 乘客安全气囊总成

气袋的作用是容纳气体发生器产生的气体，在乘员及仪表板间形成柔性保护屏障，进而降低事故中对乘员造成的伤害。近年来，随着整车尺寸的不断增加以及对乘员保护要求的不断提升，乘客侧气袋的容积不断增加。在气囊对乘员形成保护过程中，整个作用过程约150ms[8]，而囊袋从开始充气到充满一般在0.11s内完成[9]。气袋容积的增加意味着在相同时间内气体发生器要释放更多的能量来产生更多的气体充满囊袋，即仪表板系统受力增加。囊袋容积与反作用力（注：反作用力即安全气囊模块点爆过程中产生的作用力）间关系如图8。从表中可以看出，气袋容积由90L增加到140L，对应模块反作用力由12644N增加到23818N，仪表板要承受更多的受力冲击。

图8 气囊容积与反作用力变化趋势

气囊罩布与壳体主要起到收纳袋以及为安全气囊提供固定点的作用。罩布在气袋展开过程中，可以避免气袋直接与仪表板撕裂线接触产生划伤，对气袋有一定的保护作用。罩布常见有单层和双层两种方式，材料为尼龙（PA66）和高密度聚乙烯（HDPE）。通常来讲，双层罩布的对气袋的保护效果要优于单层罩布，HDPE罩布的保护效果要优于尼龙罩布，但成本较高。但近年来随着成本压力的增加，双层罩布的使用比例有所下降，但HDPE罩布的应用比例近两年内稍有上升趋势，如图9。

图9 罩布及气囊壳体变化趋势

气囊壳体材料已由原来的金属逐渐过渡为塑料。与金属壳体相比，材料壳体重量轻，制造工艺简单，迅速占领了绝大部分的市场。但塑料壳体性能受试验温度影响较大，高温条件下，变形极为严重；低温条件下，壳体容易产生裂纹或直接碎裂，存在一定安全风险，需要大量的试验进行验证。

3 结语

通过对仪表板和乘客安全气囊发展趋势的探究，可汇总如表1：通过汇总分析可知，在乘客安全气囊子系统中，对安全性影响较大的零件整体发展趋势是符合提高整车安全性及经济性要求的。但对安全气囊静态点爆试验来讲，其中有些变化是不利的，需要在仪表板及安全气囊设计过程中予以考虑，通过优化设计来消除这些改变带来的风险。从上表中可以看出，由于气囊支架结构的变化以及安全气囊气袋容积的增加，未来乘客安全气囊子系统静态点爆试验中出现概率较高的失效模式应为仪表板裂纹和气袋破孔。针对此失效模式，仪表板及安全气囊设计方向如下：