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安全氣囊起爆模擬試驗研究

文檔作者：白中浩龍瑤王玉龍白芳華文檔來源： 1．湖南大學 2．廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年05月08日
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2014年(第36卷)第12期
汽車工程
Automotive Engineering
安全氣囊起爆模擬試驗研究術
白中浩 ，龍
(1．湖南大學，汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，長沙
2014275
瑤 ，王玉龍 ，白芳華
410082； 2．廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣州511434)
[摘要] 為設計與驗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性能，開發(fā)和構建了一種基于壓縮空氣的安全氣囊起爆模擬試驗裝置，并通過兩種不
同類型氣體發(fā)生器標定試驗和安全氣囊起爆模擬試驗進行驗證。最后針對試驗中發(fā)現(xiàn)的溫度降低、初始壓力不為
零和水霧析出問題，進行了系統(tǒng)理論分析和計算，并提出了解決方案。
關鍵詞：安全氣囊；起爆模擬；試驗研究 。
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
全保護設備，能夠在汽車發(fā)生碰撞時有效保護車內
乘員¨J。在安全氣囊的研發(fā)過程中，安全氣囊及其
相關部件的研究通常需要做大量的氣囊展開試驗，
或研究氣囊形狀、拉帶形式、折疊方式和排氣孔尺寸
與位置，或測試氣囊的起爆強度、飾蓋的性能等，所
有這些試驗都與氣體發(fā)生器相關，須投人大量的氣
體發(fā)生器來進行消耗性試驗。而氣體發(fā)生器屬于一
次性產品，不能重復使用，這些試驗無疑加大研發(fā)成
本，因此，開發(fā)一種能夠以較低成本替代氣體發(fā)生器
進行試驗的氣囊起爆模擬試驗裝置就顯得非常
必要。
目前國內外對替代氣體發(fā)生器進行氣囊起爆試
驗的方法進行了一些研究，同時也開發(fā)出相應的試
驗裝置 J，對安全氣囊起爆模擬試驗方法進行了
有益的探索，但所開發(fā)的相關試驗裝置仍存在如下
不足：(1)試驗裝置能夠達到的工作壓力不足，釋放
裝置執(zhí)行速度慢，氣體釋放速度或釋放量難以達到
氣囊起爆模擬要求；(2)試驗裝置可調參數(shù)少，能夠
輸出的壓力一時間(P—t)曲線范圍窄；(3)試驗裝置
結構復雜，價格昂貴，難以大范圍推廣使用。
為此，本文中基于氣囊試驗準則，提出了一種采
用壓縮空氣、單儲氣罐配合兩套標定容器的成本低、
重復性好、精度高且壓力一時間(P—t)曲線可調范圍
寬的安全氣囊起爆模擬試驗裝置。
國家自然科學基金(51475153)和中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金項目(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研究 ·1485·
超高壓、潔凈、冷卻壓縮氣體的空壓機作為氣源，同
時使用特制的大通徑、高速高壓電磁閥作為壓縮氣
體的釋放裝置。
安全氣囊展開裝置的結構如圖2所示，包含裝
置安裝固定架，上臺面通過兩個支撐支架和抱箍固
定儲氣罐，儲氣罐通過進氣管路元件與下部的空壓
機連接。
1一機架2—進氣管路元件3—氣壓傳感器4—儲氣罐
5一電磁閥6—氣體流量控制裝置7一空壓機
圖2 安全氣囊展開裝置
空壓機通過三級壓縮可以將氣體最高壓縮至壓
力20MPa，且輸出的壓縮氣體經過過濾和冷卻，可以
直接通過進氣管路元件充入儲氣罐。進氣管路元件
能夠保證充氣時氣流的穩(wěn)定和試驗裝置的安全，儲
氣罐上安裝的氣壓傳感器能夠精確地讀出儲氣罐內
壓縮氣體的壓力。
儲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副閥，通過介質壓力差打開主
閥的間接兩次開閥式單閥瓣截止閥?？稍跍y控系統(tǒng)
的控制下迅速執(zhí)行打開的動作，將儲氣罐內的壓縮
氣體快速釋放。釋放的壓縮氣體最終經過安裝在放
氣管上的法蘭式氣體流速與方向控制裝置快速流
出，或充入標定裝置進行p-t曲線標定，或充入折疊
好的安全氣囊將其迅速展開。
2．2 標定裝置和測控系統(tǒng)設計
安全氣囊起爆模擬試驗裝置替代氣體發(fā)生器進
行試驗，首先需要復制氣體發(fā)生器Tank試驗的p-t
曲線，因此根據(jù)法規(guī)要求設計了標定裝置來對展開
裝置輸出的p-t曲線進行標定。
SAE J2238-2001中對于駕駛員安全氣囊氣體
發(fā)生器進行Tank試驗密閉容器的容積規(guī)定為(28．3
±0．28)L或(60+0．60)L；對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
于側碰撞氣囊、翻滾氣囊和膝部氣囊等規(guī)定為(28．3
±0．28)L。該規(guī)范雖然對密閉容器的容積進行了明
確規(guī)定，但是對其具體形狀卻沒有做出統(tǒng)一規(guī)定。
根據(jù)上述分析，所設計的安全氣囊起爆模擬標
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構，如圖1所示，可以進行
駕駛員側和副駕駛員側安全氣囊氣體發(fā)生器Tank
試驗的P—t曲線復制。60L標定密閉容器內徑為
325mm，長度為723mm，28．3L標定容器內徑也為
325mm，長度為342mm。在標定容器 端進氣口的
近端和遠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
容器內部殘余氣體和積水。
該試驗裝置屬于高壓系統(tǒng)，在試驗過程中須實
現(xiàn)對高壓電磁閥和空壓機進行控制，同時實時分析
并采集儲氣罐氣體壓力、起爆瞬間氣體壓力和溫度
等信號，因此開發(fā)了基于虛擬儀器技術LabVIEW 平
臺的測控系統(tǒng)。
試驗裝置澳4控系統(tǒng)的硬件安裝在控制臺中，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。當空壓機向儲氣罐充氣時，氣壓傳感器實時采
集罐內壓力，并將此壓力值和設定值進行比較，當儲
氣罐內壓力達到設定值時，計算機通過DO電路關
閉空壓機。在展開裝置向標定裝置充氣進行p-t曲
線標定時，也須通過氣壓傳感器實時采集并分析密
閉容器內氣體的壓力信號。采用LabVIEW 中條件
結構的嵌套來實現(xiàn)對儲氣罐內氣體壓力的實時檢
測，同時控制采集卡的DO輸出以控制空壓機和電
磁閥的相應動作。通過While循環(huán)實現(xiàn)對氣壓信號
的連續(xù)采集，使用For循環(huán)結構將采集到的電壓信
號換算成壓力和對應的時刻值，然后進行實時顯示
和數(shù)據(jù)保存。
3 氣囊驗證試驗和問題討論
為驗證開發(fā)的試驗裝置的快速性和準確性，須進
行氣囊起爆模擬試驗，并將試驗裝置展開氣囊的過程
與由實際氣體發(fā)生器展開氣囊的過程進行對比。
3．1 氣體發(fā)生器P—t曲線復制
根據(jù)需要復制的安全氣囊型號，將展開裝置存
儲壓縮空氣的儲氣罐通過軟管與相應體積的標定裝
置密閉容器連接，通過流體仿真與試驗結合調節(jié)展
開裝置中儲氣罐內的初始充氣壓力，獲得理想的標
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于安全氣囊及其相關部件的研究與開發(fā)。
3．3 冷氣體起爆模擬試驗問題討論
上述標定試驗和基于冷氣體的安全氣囊起爆模
擬試驗存在3個問題需要探討：(1)如圖3所示，復
制氣體發(fā)生器的P—t曲線時，標定輸出壓力曲線初
始值不為零；(2)常溫壓縮氣體高速釋放過程中溫
度急劇降低；(3)常溫壓縮氣體高速釋放過程中有
水霧產生。本項目組分析并提出如下解決方案。
問題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常閉截止
閥，當接收到電信號后，電磁線圈接通產生磁場，在
電磁力作用下動鐵芯移動，帶動密封件克服彈簧力
使其與閥座分離，副閥打開。閥杯上腔高壓氣體通
過副閥流向閥門出口，由于閥杯上腔氣體進口通道
很小，氣體流人緩慢，一段時間后，閥杯上腔的氣體
壓力不斷下降，當閥杯上腔氣體壓力和下腔氣體壓
力差達到定值時，壓力差把閥杯向上托起，主閥打
開，閥門開啟。因此，在閥門開啟前，已有部分氣體
流向出口，因此造成初始壓力不為零的情況。該問
題可以通過采用直動式高壓電磁閥來解決，但該類
超高壓力型電磁閥價格較高。
問題2的產生機理是儲氣罐快速對氣袋充氣，
直至氣袋完全展開的整個過程約為20～40ms，且均
在室溫下進行，如果將該過程視為一個絕熱過
程 ，則有
㈩
式中：r， 和 分別為初、終狀態(tài)熱力學溫度，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，可以計算出，初始
溫度293K、初始壓力為8MPa時，復制0．22MPa壓
力曲線時，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程中
明顯的溫度降低現(xiàn)象。該問題可以通過提高儲氣罐
內的氣體溫度來緩解，如在儲氣罐表面纏繞電阻絲
來對內部氣體加熱。若使釋放的氣體達到室溫
293K，需要的熱量Q 可以通過熱力學第一定律
計算：
／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)氣體質量，kg；VI和 分別
為初、終狀態(tài)氣體體積，in 。
問題3的產生機理是實驗室的空氣相對濕度
約為60％ 一70％ ，由于空氣壓縮前后，水蒸氣
的質量不變，因此壓縮后相對濕度 為
，
： ×
p p
(3)
式中：p和p 分別為空氣壓縮前后的絕對壓力，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 =60％ ，若p ／p>1．67時，則
有 >1(相同溫度下)，即水蒸氣達到飽和，有水滴
析出。同時，根據(jù)文獻[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，可以通過對壓縮空氣進行干燥，降低初始水蒸氣
密度來控制水霧的產生。
4 結束語
安全氣囊的應用對于提高汽車安全性，降低乘
員損傷起到了顯著的促進作用。開發(fā)能夠對不同人
體部位進行保護的安全氣囊，是其研究的關鍵，最佳
的氣囊結構配合最佳的氣體壓力曲線，將是降低和
避免人體損傷的核心技術。
根據(jù)國內外相關法規(guī)并采用冷氣體壓縮的安全
氣囊起爆模擬試驗方法，開發(fā)了安全氣囊起爆模擬
試驗裝置，并進行了復制氣體發(fā)生器p-t曲線標定
實驗和氣囊起爆模擬試驗。對試驗中遇到的水霧和
冷凝問題進行初步的分析和探討。該研究工作是開
發(fā)安全氣囊的基礎技術，希望能夠對我國汽車安全
技術的提高起到借鑒和促進作用。
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