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安全氣囊起爆模擬試驗(yàn)研究

文檔作者：白中浩龍瑤王玉龍白芳華文檔來(lái)源： 1．湖南大學(xué) 2．廣州汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司汽車(chē)工程研究院			點(diǎn) 擊數(shù)：
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2014年(第36卷)第12期
汽車(chē)工程
Automotive Engineering
安全氣囊起爆模擬試驗(yàn)研究術(shù)
白中浩 ，龍
(1．湖南大學(xué)，汽車(chē)車(chē)身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙
2014275
瑤 ，王玉龍 ，白芳華
410082； 2．廣州汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司汽車(chē)工程研究院，廣州511434)
[摘要] 為設(shè)計(jì)與驗(yàn)證不同安全氣囊的基本形狀、拉帶形式與位置和泄氣孔尺寸與位置等參數(shù)，分析不同的
氣體發(fā)生器作用下的氣囊展開(kāi)性能，開(kāi)發(fā)和構(gòu)建了一種基于壓縮空氣的安全氣囊起爆模擬試驗(yàn)裝置，并通過(guò)兩種不
同類(lèi)型氣體發(fā)生器標(biāo)定試驗(yàn)和安全氣囊起爆模擬試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。最后針對(duì)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的溫度降低、初始?jí)毫Σ粸?
零和水霧析出問(wèn)題，進(jìn)行了系統(tǒng)理論分析和計(jì)算，并提出了解決方案。
關(guān)鍵詞：安全氣囊；起爆模擬；試驗(yàn)研究 。
An Experimental Study on the Firing Simulation of Safety Airbag
Bai Zhonghao ，Long Yao ，W ang Yulong &amp;amp; Bai Fanghua
1．Hunan University，State Key Laboratory ofAdvanced Design and Manufacturefor Vehicle Boay，Changsha 410082；
2．Automotive Engineering Institute，Guangzhou Automobile Group Company Limited，Guangzhou 51 1434
[Abstract] For designing and validating the parameters such as basic shapes，the form and position of ten—
sile belt，and the size and position of vent hole of different safety airbags，and analyzing the deployment performance
of airbag with different gas generators，an airbag firing simulation test device based on compressed air is developed
and built，which is then verified by the calibration tests and airbag firing simulation tests with two different types of
gas generator．In the end，the solutions for the problems of temperature fall，non—zero initial pressure and water e—
duction found in tests are given based on systemic theoretical analysis and calculation．
Keywords：safety airbag；firing simulation；experimental study
日IJ舌
安全氣囊是一種配合安全帶使用的輔助乘員安
全保護(hù)設(shè)備，能夠在汽車(chē)發(fā)生碰撞時(shí)有效保護(hù)車(chē)內(nèi)
乘員¨J。在安全氣囊的研發(fā)過(guò)程中，安全氣囊及其
相關(guān)部件的研究通常需要做大量的氣囊展開(kāi)試驗(yàn)，
或研究氣囊形狀、拉帶形式、折疊方式和排氣孔尺寸
與位置，或測(cè)試氣囊的起爆強(qiáng)度、飾蓋的性能等，所
有這些試驗(yàn)都與氣體發(fā)生器相關(guān)，須投人大量的氣
體發(fā)生器來(lái)進(jìn)行消耗性試驗(yàn)。而氣體發(fā)生器屬于一
次性產(chǎn)品，不能重復(fù)使用，這些試驗(yàn)無(wú)疑加大研發(fā)成
本，因此，開(kāi)發(fā)一種能夠以較低成本替代氣體發(fā)生器
進(jìn)行試驗(yàn)的氣囊起爆模擬試驗(yàn)裝置就顯得非常
必要。
目前國(guó)內(nèi)外對(duì)替代氣體發(fā)生器進(jìn)行氣囊起爆試
驗(yàn)的方法進(jìn)行了一些研究，同時(shí)也開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的試
驗(yàn)裝置 J，對(duì)安全氣囊起爆模擬試驗(yàn)方法進(jìn)行了
有益的探索，但所開(kāi)發(fā)的相關(guān)試驗(yàn)裝置仍存在如下
不足：(1)試驗(yàn)裝置能夠達(dá)到的工作壓力不足，釋放
裝置執(zhí)行速度慢，氣體釋放速度或釋放量難以達(dá)到
氣囊起爆模擬要求；(2)試驗(yàn)裝置可調(diào)參數(shù)少，能夠
輸出的壓力一時(shí)間(P—t)曲線(xiàn)范圍窄；(3)試驗(yàn)裝置
結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，難以大范圍推廣使用。
為此，本文中基于氣囊試驗(yàn)準(zhǔn)則，提出了一種采
用壓縮空氣、單儲(chǔ)氣罐配合兩套標(biāo)定容器的成本低、
重復(fù)性好、精度高且壓力一時(shí)間(P—t)曲線(xiàn)可調(diào)范圍
寬的安全氣囊起爆模擬試驗(yàn)裝置。
國(guó)家自然科學(xué)基金(51475153)和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目(531107040572)資助。
原稿收到日期為2012年7月23日，修改稿收到日期為2013年2月23日。
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白中浩，等：安全氣囊起爆模擬試驗(yàn)研究 ·1485·
超高壓、潔凈、冷卻壓縮氣體的空壓機(jī)作為氣源，同
時(shí)使用特制的大通徑、高速高壓電磁閥作為壓縮氣
體的釋放裝置。
安全氣囊展開(kāi)裝置的結(jié)構(gòu)如圖2所示，包含裝
置安裝固定架，上臺(tái)面通過(guò)兩個(gè)支撐支架和抱箍固
定儲(chǔ)氣罐，儲(chǔ)氣罐通過(guò)進(jìn)氣管路元件與下部的空壓
機(jī)連接。
1一機(jī)架2—進(jìn)氣管路元件3—?dú)鈮簜鞲衅?—儲(chǔ)氣罐
5一電磁閥6—?dú)怏w流量控制裝置7一空壓機(jī)
圖2 安全氣囊展開(kāi)裝置
空壓機(jī)通過(guò)三級(jí)壓縮可以將氣體最高壓縮至壓
力20MPa，且輸出的壓縮氣體經(jīng)過(guò)過(guò)濾和冷卻，可以
直接通過(guò)進(jìn)氣管路元件充入儲(chǔ)氣罐。進(jìn)氣管路元件
能夠保證充氣時(shí)氣流的穩(wěn)定和試驗(yàn)裝置的安全，儲(chǔ)
氣罐上安裝的氣壓傳感器能夠精確地讀出儲(chǔ)氣罐內(nèi)
壓縮氣體的壓力。
儲(chǔ)氣罐連接高壓電磁閥，該常閉高壓電磁閥是
利用電磁力直接打開(kāi)副閥，通過(guò)介質(zhì)壓力差打開(kāi)主
閥的間接兩次開(kāi)閥式單閥瓣截止閥?？稍跍y(cè)控系統(tǒng)
的控制下迅速執(zhí)行打開(kāi)的動(dòng)作，將儲(chǔ)氣罐內(nèi)的壓縮
氣體快速釋放。釋放的壓縮氣體最終經(jīng)過(guò)安裝在放
氣管上的法蘭式氣體流速與方向控制裝置快速流
出，或充入標(biāo)定裝置進(jìn)行p-t曲線(xiàn)標(biāo)定，或充入折疊
好的安全氣囊將其迅速展開(kāi)。
2．2 標(biāo)定裝置和測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)
安全氣囊起爆模擬試驗(yàn)裝置替代氣體發(fā)生器進(jìn)
行試驗(yàn)，首先需要復(fù)制氣體發(fā)生器Tank試驗(yàn)的p-t
曲線(xiàn)，因此根據(jù)法規(guī)要求設(shè)計(jì)了標(biāo)定裝置來(lái)對(duì)展開(kāi)
裝置輸出的p-t曲線(xiàn)進(jìn)行標(biāo)定。
SAE J2238-2001中對(duì)于駕駛員安全氣囊氣體
發(fā)生器進(jìn)行Tank試驗(yàn)密閉容器的容積規(guī)定為(28．3
±0．28)L或(60+0．60)L；對(duì)于前排乘員安全氣囊規(guī)
定為(60+0．60)L、(100±1．0)L或(146±1．5)L；對(duì)
于側(cè)碰撞氣囊、翻滾氣囊和膝部氣囊等規(guī)定為(28．3
±0．28)L。該規(guī)范雖然對(duì)密閉容器的容積進(jìn)行了明
確規(guī)定，但是對(duì)其具體形狀卻沒(méi)有做出統(tǒng)一規(guī)定。
根據(jù)上述分析，所設(shè)計(jì)的安全氣囊起爆模擬標(biāo)
定裝置包括容積為60和28．3L兩種規(guī)格的密閉容
器，采用兩端平接頭的結(jié)構(gòu)，如圖1所示，可以進(jìn)行
駕駛員側(cè)和副駕駛員側(cè)安全氣囊氣體發(fā)生器Tank
試驗(yàn)的P—t曲線(xiàn)復(fù)制。60L標(biāo)定密閉容器內(nèi)徑為
325mm，長(zhǎng)度為723mm，28．3L標(biāo)定容器內(nèi)徑也為
325mm，長(zhǎng)度為342mm。在標(biāo)定容器 端進(jìn)氣口的
近端和遠(yuǎn)端都裝有氣壓傳感器，以避免充氣口附近
壓力較大的誤差。容器下部裝有排氣閥，能夠排出
容器內(nèi)部殘余氣體和積水。
該試驗(yàn)裝置屬于高壓系統(tǒng)，在試驗(yàn)過(guò)程中須實(shí)
現(xiàn)對(duì)高壓電磁閥和空壓機(jī)進(jìn)行控制，同時(shí)實(shí)時(shí)分析
并采集儲(chǔ)氣罐氣體壓力、起爆瞬間氣體壓力和溫度
等信號(hào)，因此開(kāi)發(fā)了基于虛擬儀器技術(shù)LabVIEW 平
臺(tái)的測(cè)控系統(tǒng)。
試驗(yàn)裝置澳4控系統(tǒng)的硬件安裝在控制臺(tái)中，包
括多功能數(shù)據(jù)采集卡、控制電路板和接口板卡等部
件。當(dāng)空壓機(jī)向儲(chǔ)氣罐充氣時(shí)，氣壓傳感器實(shí)時(shí)采
集罐內(nèi)壓力，并將此壓力值和設(shè)定值進(jìn)行比較，當(dāng)儲(chǔ)
氣罐內(nèi)壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，計(jì)算機(jī)通過(guò)DO電路關(guān)
閉空壓機(jī)。在展開(kāi)裝置向標(biāo)定裝置充氣進(jìn)行p-t曲
線(xiàn)標(biāo)定時(shí)，也須通過(guò)氣壓傳感器實(shí)時(shí)采集并分析密
閉容器內(nèi)氣體的壓力信號(hào)。采用LabVIEW 中條件
結(jié)構(gòu)的嵌套來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)氣罐內(nèi)氣體壓力的實(shí)時(shí)檢
測(cè)，同時(shí)控制采集卡的DO輸出以控制空壓機(jī)和電
磁閥的相應(yīng)動(dòng)作。通過(guò)While循環(huán)實(shí)現(xiàn)對(duì)氣壓信號(hào)
的連續(xù)采集，使用For循環(huán)結(jié)構(gòu)將采集到的電壓信
號(hào)換算成壓力和對(duì)應(yīng)的時(shí)刻值，然后進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示
和數(shù)據(jù)保存。
3 氣囊驗(yàn)證試驗(yàn)和問(wèn)題討論
為驗(yàn)證開(kāi)發(fā)的試驗(yàn)裝置的快速性和準(zhǔn)確性，須進(jìn)
行氣囊起爆模擬試驗(yàn)，并將試驗(yàn)裝置展開(kāi)氣囊的過(guò)程
與由實(shí)際氣體發(fā)生器展開(kāi)氣囊的過(guò)程進(jìn)行對(duì)比。
3．1 氣體發(fā)生器P—t曲線(xiàn)復(fù)制
根據(jù)需要復(fù)制的安全氣囊型號(hào)，將展開(kāi)裝置存
儲(chǔ)壓縮空氣的儲(chǔ)氣罐通過(guò)軟管與相應(yīng)體積的標(biāo)定裝
置密閉容器連接，通過(guò)流體仿真與試驗(yàn)結(jié)合調(diào)節(jié)展
開(kāi)裝置中儲(chǔ)氣罐內(nèi)的初始充氣壓力，獲得理想的標(biāo)
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于安全氣囊及其相關(guān)部件的研究與開(kāi)發(fā)。
3．3 冷氣體起爆模擬試驗(yàn)問(wèn)題討論
上述標(biāo)定試驗(yàn)和基于冷氣體的安全氣囊起爆模
擬試驗(yàn)存在3個(gè)問(wèn)題需要探討：(1)如圖3所示，復(fù)
制氣體發(fā)生器的P—t曲線(xiàn)時(shí)，標(biāo)定輸出壓力曲線(xiàn)初
始值不為零；(2)常溫壓縮氣體高速釋放過(guò)程中溫
度急劇降低；(3)常溫壓縮氣體高速釋放過(guò)程中有
水霧產(chǎn)生。本項(xiàng)目組分析并提出如下解決方案。
問(wèn)題1主要是由于高壓電磁閥的工作原理造成
的。本裝置選用的高壓電磁閥為主副兩級(jí)常閉截止
閥，當(dāng)接收到電信號(hào)后，電磁線(xiàn)圈接通產(chǎn)生磁場(chǎng)，在
電磁力作用下動(dòng)鐵芯移動(dòng)，帶動(dòng)密封件克服彈簧力
使其與閥座分離，副閥打開(kāi)。閥杯上腔高壓氣體通
過(guò)副閥流向閥門(mén)出口，由于閥杯上腔氣體進(jìn)口通道
很小，氣體流人緩慢，一段時(shí)間后，閥杯上腔的氣體
壓力不斷下降，當(dāng)閥杯上腔氣體壓力和下腔氣體壓
力差達(dá)到定值時(shí)，壓力差把閥杯向上托起，主閥打
開(kāi)，閥門(mén)開(kāi)啟。因此，在閥門(mén)開(kāi)啟前，已有部分氣體
流向出口，因此造成初始?jí)毫Σ粸榱愕那闆r。該問(wèn)
題可以通過(guò)采用直動(dòng)式高壓電磁閥來(lái)解決，但該類(lèi)
超高壓力型電磁閥價(jià)格較高。
問(wèn)題2的產(chǎn)生機(jī)理是儲(chǔ)氣罐快速對(duì)氣袋充氣，
直至氣袋完全展開(kāi)的整個(gè)過(guò)程約為20～40ms，且均
在室溫下進(jìn)行，如果將該過(guò)程視為一個(gè)絕熱過(guò)
程 ，則有
㈩
式中：r， 和 分別為初、終狀態(tài)熱力學(xué)溫度，K；P
和P：分別為初、終狀態(tài)氣體壓力，Pa；，c為絕熱指數(shù)
或定熵指數(shù)，取定值1．4。因此，可以計(jì)算出，初始
溫度293K、初始?jí)毫?MPa時(shí)，復(fù)制0．22MPa壓
力曲線(xiàn)時(shí)，終了狀態(tài)的溫度為104．9K。
因此，造成常溫的壓縮空氣在高速釋放過(guò)程中
明顯的溫度降低現(xiàn)象。該問(wèn)題可以通過(guò)提高儲(chǔ)氣罐
內(nèi)的氣體溫度來(lái)緩解，如在儲(chǔ)氣罐表面纏繞電阻絲
來(lái)對(duì)內(nèi)部氣體加熱。若使釋放的氣體達(dá)到室溫
293K，需要的熱量Q 可以通過(guò)熱力學(xué)第一定律
計(jì)算：
／D， D． 、
Q=RsT1(m,1-m~2)=RsT1【菇一 J
(2)
式中：R 為空氣的氣體常數(shù)，287．0J／(kg·K)；m
和m 分別為初、終狀態(tài)氣體質(zhì)量，kg；VI和 分別
為初、終狀態(tài)氣體體積，in 。
問(wèn)題3的產(chǎn)生機(jī)理是實(shí)驗(yàn)室的空氣相對(duì)濕度
約為60％ 一70％ ，由于空氣壓縮前后，水蒸氣
的質(zhì)量不變，因此壓縮后相對(duì)濕度 為
，
： ×
p p
(3)
式中：p和p 分別為空氣壓縮前后的絕對(duì)壓力，kPa；
P 和Pb'分別為空氣壓縮前后的飽和水蒸氣分壓力，
kPa。
由式(3)可知，當(dāng) =60％ ，若p ／p>1．67時(shí)，則
有 >1(相同溫度下)，即水蒸氣達(dá)到飽和，有水滴
析出。同時(shí)，根據(jù)文獻(xiàn)[12]可以看出，隨著溫度的
降低，飽和水蒸氣的密度降低，水更容易析出。為
此，可以通過(guò)對(duì)壓縮空氣進(jìn)行干燥，降低初始水蒸氣
密度來(lái)控制水霧的產(chǎn)生。
4 結(jié)束語(yǔ)
安全氣囊的應(yīng)用對(duì)于提高汽車(chē)安全性，降低乘
員損傷起到了顯著的促進(jìn)作用。開(kāi)發(fā)能夠?qū)Σ煌?
體部位進(jìn)行保護(hù)的安全氣囊，是其研究的關(guān)鍵，最佳
的氣囊結(jié)構(gòu)配合最佳的氣體壓力曲線(xiàn)，將是降低和
避免人體損傷的核心技術(shù)。
根據(jù)國(guó)內(nèi)外相關(guān)法規(guī)并采用冷氣體壓縮的安全
氣囊起爆模擬試驗(yàn)方法，開(kāi)發(fā)了安全氣囊起爆模擬
試驗(yàn)裝置，并進(jìn)行了復(fù)制氣體發(fā)生器p-t曲線(xiàn)標(biāo)定
實(shí)驗(yàn)和氣囊起爆模擬試驗(yàn)。對(duì)試驗(yàn)中遇到的水霧和
冷凝問(wèn)題進(jìn)行初步的分析和探討。該研究工作是開(kāi)
發(fā)安全氣囊的基礎(chǔ)技術(shù)，希望能夠?qū)ξ覈?guó)汽車(chē)安全
技術(shù)的提高起到借鑒和促進(jìn)作用。
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