整车被动安全设计之气囊设计

张路 林祥辉

极氪汽车（宁波杭州湾新区）有限公司 浙江省宁波市 315336

1 前言

安全气囊属于被动安全范畴，既然是属于被动安全，那么安全气囊主要还是从被动的角度去保护驾乘人员。对于驾驶员，主要的约束系统是安全带、安全气囊、方向盘（含转向管柱）、仪表板和座椅；对于副驾驶员则没有转向系的约束。整车碰撞时，一次碰撞是汽车和其它物体的撞击，二次碰撞是车内驾乘人员与车内内外饰的碰撞，约束系统则是避免或减少二次碰撞伤害的零部件，安全气囊则是缓和碰撞伤害的关键部件。据统计，单独使用安全气囊可以减少18%的死亡率，与安全带配合使用则可减少47%的死亡率。安全气囊的使用，只能减少或降低乘客的伤害程度，需要配合其它约束系统一并使用。

对于没有安全气囊的车型，在进行正面碰撞试验时，通过整车耐撞性及部分约束系统的优化，一般经过多轮优化，正碰还是可以通过法规的要求。若部分车型难以满足法规，则大概率问题是出在颈部和头部的伤害，这两个位置的防护，把安全气囊配置加上则不会再出现问题。安全气囊要与安全带等约束系统配合使用才能发挥最大作用，则在进行安全气囊的设计开发是，需要关联其它的约束系统、统筹开发，如安全带、座椅、儿童保护、内饰件碰撞保护方面等等，还要考虑对气囊系统有很大影响的其它方面的融合，如电磁兼容、粗糙路面、误操作等。

2 基本原理

前文分析到，二次碰撞是驾乘人员与车内内外饰之间的碰撞，而气囊就是在一次碰撞发生后、二次碰撞发生前，在人体与内外饰之间爆出气囊，承接住人体的碰撞能量，让人体缓冲停止，从而达到保护乘员的目的。由于碰撞在一瞬间完成，整个车辆碰撞过程一般最长也不会超过200ms，一般在100ms 左右即结束；另外，还需要驾乘人员是缓和的与气囊接触，这都要求在气囊上开排气孔；这样，当驾乘人员和气囊接触时，排气孔放气既可以释放冲击动能，又可以解决气囊震荡而造成驾乘人员伤害的情况，这个排气孔的设计则需要按需进行实际标定。

安全气囊的工作过程如下：当发生碰撞事故时，传感器接受到整车加速度（减速度）信号，并传递给控制器（ACU 或MDS），控制器进行运算处理判断是否达到气囊起爆的阈值；当判断已经达到阈值，则发出气囊点火信号以触发气体发生器，后点火并产生大量气体给气囊充气。如果将气囊在内部高压作用下冲破模块面盖的时刻定为0ms，约需10ms 的时间气袋冲出，20ms 气袋已基本展开，30ms 后气袋完全充满气体，工作过程见表1 所示。整个过程控制要十分精准，使得乘员与一个较柔软的吸能缓冲物件相接触，而不是与汽车内饰件猛烈碰撞。

表1 安全气囊工作过程表

气囊动作时间极短，从开始充气到完全充满的时间约为30ms；从汽车受碰撞开始，到安全气囊收缩为止，仅为120ms 左右，而人的眼皮眨一下所用时间约为300ms 左右。

安全气囊首要考察的是可靠，可靠性不能通过，则更谈不上安全。不该起爆充气的时候打开气囊称之为误点火或误爆或误作用；应该点爆的时候没有点爆是漏点火；点爆太晚则是迟点火；无论是误作用、漏点火、还是延迟点火均是绝不允许的。这些不可靠性，首先要从设计的角度进行多轮标定与验证；同时，为了防止电源线在碰撞中断线、电池遭到破坏，系统中备有储能电容或电池进行冗余；为了检测传感器、电子电路、气体发生器，还设计有故障诊断模块，并设有信号灯予以显示。

3 设计原则

安全气囊是一个多学科交叉的产物，集机械、电子、火药、纺织、软件于一体的产品，气囊的控制又在毫秒级；同时，气囊的点爆与车身结构与性能也是相关联（汽车的重量、结构耐撞性等都会影响气囊的设计参数）。故，气囊的通用性是很差的，基本上都是专车专用。

在安全气囊设计中，三要素是气袋容积、压力、排气孔大小；重要的参数包括充气时间、速度、压力、温度和气体的质量等；安全气囊的工作过程十分复杂，在进行气囊设计时，需进行综合考虑：

1) 基础曲线：这里所说的基础曲线，是整车碰撞的加速度曲线。在进行气囊设计之前，需要采集目标车型的整车加速度曲线，这个曲线代表了整车被动安全结构这一方面的性能水平，同时为气囊设计开发提供了依据（比如，需要依此标定起爆与不起爆的阈值）；

2) 气囊尺寸：气囊的尺寸需要结合车型的具体空间、人机情况予以设定，当然，在现有汽车行业大发展的进展下，可以考虑先去寻找现有资源予以匹配；

3) 气体发生器：发生器的设计需结合具体的气囊标定、气囊尺寸、排气与保压特性先匹配；

4) 寿命：需结合整车设计开发寿命进行设定；

5) 材料：气囊的材料主要涉及气囊金属壳体、气囊包的布料以及缝合线以及火药等，金属壳体一般是高强钢、而火药则是需要化学稳定性高；

6) 气袋的折叠方式：直接影响气囊的展开过程，以致会影响对人体的冲击程度；

7) 总布置：气囊的布置位置、角度等。

4 气囊开发试验

4.1 基础试验与数据采集试验：

首先进行一个基础试验(BASE LINE)试验（50km/h 正面碰撞、GB-11551 进行，如果开发车型需要同时满足ECE R94 的要求，则还应进行56km/h 的40%偏置碰撞试验进行评价），该试验的试验目的是评定车身性能并采集车辆的加速度数据。如果BASE LINE 试验完成，试验结果的各项数据除了头部、胸部、腿部伤害指标外，均满足GB-11551 要求，则会进行设定速度的基础碰撞试验，同时，进行各种坏路和误操作试验，采集相应的加速度信号。

一般情况下，我们会在下面这些点装测量加速度的传感器进行数据采集：左侧 A柱下部、右侧A 柱下部、左侧B 柱下部、右侧B 柱下部、左侧前排座椅下横梁中点、右侧前排座椅下横梁中点、中央通道、ECU 顶部、ECU 侧面、ECU 后部、右边侧碰传感器安装点、左边侧碰传感器安装点、ECU PCB 板（ECU 传感器位置）、前 端结构左侧（卫星传感器位置）、前端结构中部（卫星传感器位置）、前端结构右侧（卫星传感器位置）、油箱、发动机顶部、仪表板。通过在这些关键位置装加速度传感器，我们可以获得试验中瞬时的加速度数值，并拟合成曲线。

BASE LINE 试验与数据采集试验的目的是采集不同速度下车辆的加速度信号，为模块参数优化、SDM 标定做准备。（数据采集试验包含基础试验）

4.2 台车试验阶段：

台车试验即将所配车型的白车身、座椅、安全带、仪表板、方向盘、转向柱、组合开关等气囊系统相关部件固定于一刚性平台上，刚性平台撞击吸能缓冲器，模拟实车碰撞的具体形式，以确定气囊系统与整车之间的匹配参数，视具体情况，台车试验会在产品开发过程中多次进行。

台车试验的目的是根据第一阶段基础试验中所采集到的各种车速时车辆的加速度值标定SDM，优化模块参数；对安全气囊系统样件在不同的速度下、在碰撞台架上的碰撞试验中是否能够达到乘员保护的要求进行检测并根据检测结果对乘员约束系统进行调整直至完全符合要求，并确认气囊包形和最佳发火时间及验证零部件结构。

4.3 验证试验阶段：

该阶段的试验目的是验证安全气囊系统能否改善乘员在碰撞中受到的伤害值，并确认是 满足标准或者预定要求（BASE LINE 试验部分）；同时考察气囊系统能否满足在各种状况（Misuse test、Fire/No fire、300 斜角碰撞试验、柱撞试验等）时不会出现误爆，不爆等情况；根据验证试验情况可能会对系统进行修正；最终会对系统进行EMC（电磁兼容试验）试验。通过CAE 分析及Sled test 的使用，可最大限度的减少试验整车数量及开发周期。

4.4 SDM/ACU 标定:

◆ 安全气囊的目标点火时刻：

目标点火时刻是指：也就是点火阀值，是控制系统的控制目标，既不能早点火、也不能迟，需要精细标定以达到刚刚好。这个点火阈值的大小需要与碰撞减速度进行匹配，而碰撞过程瞬间完成，这个时间把握非常重要。

确定点火时刻：前文所述，安全气囊需要配合其它约束系统进行作用，那我们在进行气囊的设计时，还要联合座椅、安全带、方向盘、人体运动等的特性，只有明确了他们之间的相互作用，才能判断点火时刻。另一方面，气囊是个多学科综合体，我们还需要研究气囊自身的热力学与流场问题，气囊的作用是一边产生气体，一边从排气孔释放气体，同时还要承受驾乘人员的冲击；第三，驾乘人员的实际坐姿是随机的，安全气囊对于此的保护也要有冗余设计，需要研究清楚气囊形状、内部压力、温度等因素在气囊展开过程中的相互关系。

◆ 目标点火时刻的确定方法：

5in-30ms 准则：这个是通用方法，30ms 是气囊从点火到充满气体的时刻，对应的是乘员向前移动5in。这个依据是：大多数轿车乘员与方向盘之间的间距为305mm，气囊充气后的厚度为178，气囊从点火到充满气体的时间为30ms，这样当乘员前移127mm这一时刻的前30ms为最佳点火时刻。

4.5 其它试验：

零部件性能试验：

·· 方向盘性能试验-硬度、泡沫层位断延伸率、冲击试验、抗扭试验、断裂试验、轮毂强度试验、共振特性试验、弹性变形试验、固有频率下耐久性试验、扭转疲劳试验、正弦波形载荷试验、电气性能试验等；

·· 气囊模块性能试验-硬度、静态展开试验（-35℃、23℃、+85℃）、跌落试验、机械冲击试验等；

··螺旋电缆性能试验-圈数、寿命、温度交变、电气性能等。

环境与性能试验：

由于本开发程序假设ECU 硬件和气体发生器采用成熟的己经批量生产的产品，因此再不需要对ECU 硬件和气体发生器进行单独的全部产品性能试验。产品验证试验应主要考核产品总成模块的性能和实车碰撞性能。

气囊模块的性能需要外观确认后进行，根据ISO-12097-2 的要求将主要考虑以下试验项目：跌落测试、阳光辐射模拟、盐雾试验；机械冲击、振动温度循环试验、粉尘试验；热度湿度循环、温度冲击试验、静态展开试验等。

台架试验：

全部气囊系统零部件（方向盘、气囊模块、螺旋电缆、线束、ECU）等）及相关零部件（转向柱管、组合开关、仪表台等）按实际生产状态完整装配于台架上，模拟实车在实际运行状况下的振动状态，检验气囊系统部件是否发生共振、松动、磨损等问题。此实验需要搭载主机厂台架试验进行。

注意事项：

安全带与座椅等法规件需要通过强检合格后才可进行气囊匹配试验（基础试验、数据采集试验、台车试验、验证试验），防止因为全带与座椅本身问题导致约束系统的失效，影响全系统的开发。

5 试验矩阵

试验矩阵表因市场、法规、平台、车型不同而有差异，以下信息影响试验矩阵及资源需求配置的制定：

表2 双气囊标定试验矩阵

布置形式：前舱X 向间距、乘员舱约束系统布置。

若前舱X 向空隙间距增大，可能会导致碰撞加速度峰值减小，点火时刻因此可能会延迟，碰撞时假人的运动位置和速度会发生变化，假人接触气囊的时刻发生变化，从而影响安全气囊系统对假人的保护效果。低门限为不起爆门限，因此在这种情况下应该更不会起爆。所以此处可不进行低门限试验的验证，但需要进行高门限的验证。其次，若在前舱前部两侧的布置形式发生变化，则还需要再进行300 角碰验证。

约束系统布置形式发生较大变化，也需要重新进行气囊匹配，甚至会影响到气囊物理形态的变化。如方向盘安装角度及前后距离的变化、座椅高度及前后位置变化、安全带形式的变化都会影响到气囊对乘员的保护效果。

车身结构：主要考察车身前部结构，如依维柯由客车改厢式货车——气囊可通用，而由客车改卡车则要视情况而定（特别是单排货车，车身上部的力传递特性已变化）。车身结构一面影响到前部变形形态，一面影响到碰撞加速度波形。相对于客车和卡车，只是后部结构有差异，重点影响的是加速度波形，若碰撞特性变化不大则可通用。

整车质量：气囊开发主要考察的是空载状态下的整车安全，整车质量的大小对整车耐撞性能及气囊标定有重大影响，一般质量差别在5%以内可视同（但绝不可超过8%）。

正面碰撞安全气囊标定时，是以Hybrid Ⅲ 50%男性假人作为设计依据的，也就是说此安全气囊对此型号人的保护效果最好，对于95% 的人保护弱一些，对小个子人的保护效果更差，但具体保护效果的差别还有待进一步的研究。以双气囊为例，试验矩阵示例如表2 所示。

6 总结

在设计安全气囊过程中，还需注意其它的一些事项：气囊的设计与标定很复杂且精准，一款气囊及其程序匹配一款车型；ACU/MDS 的位置布置要选择碰撞后不变形、或变形小、且能够很好接收碰撞信号的位置、且其周围没有其它部件干扰、不会有其它部件、物体、液体等的侵入；时钟弹簧、线束与气囊等的接口要对接可靠，且必须要有自锁能力。试验车及试验零部件状态一致性要好，最好选用工装件，特别是车身不能在试验时或者试验后有大的更改。