帶安全氣囊展開的轉向機構對駕駛員傷害的試驗方法研究

按GB11557/ECE R12法規要求進行防止轉向機構對駕駛員傷害的試驗中，增加對安全氣囊的點爆和匹配，在安全氣囊展開最大時，實現人體軀干模塊對轉向機構的沖擊，評判轉向機構在此狀態下的受力情況。

防止汽車轉向機構

對駕駛員傷害的規定

作為汽車產品安全強制認證法規GB11557和ECE R12《防止汽車轉向機構對駕駛員傷害的規定》中定義轉向機構為：由轉向操縱機構、轉向柱、附件、轉向軸、轉向器外殼以及所有用以當轉向盤受到碰撞時吸收能量的其他元件組成的整體。要求轉向機構在與人體發生碰撞過程中吸收能量，以實現對人體胸肋部的保護。

如圖一所示，人體模塊以24.1km/h的速度水平撞擊轉向盤時，作用在轉向機構上的水平力值不得大于11123N。其中的人體模塊有特定的技術要求：

（1）結構尺寸方面的要求；

（2）質量為34.0 -36.3kg；

（3）變形剛度為105-140N/mm；

（4）質心距頭頂551mm±6mm；

（5）通過質心繞橫軸的轉動慣量為226N·cm·s2±22N·cm·s2（23.0kgf·cm·s2±2.3kgf·cm·s2）。

試驗準備及原理

（1）轉向機構在車身上固定，轉向軸角度即為實車安裝角度。

（2）調整車身與試驗平板之間的高度，確保座椅基準R點與人體模塊之間的距離為19mm。

（3）通過氮氣壓力調節發射人體軀干模塊，通過光電傳感器信號獲得人體模塊發射速度。

（4）把三維力傳感器安裝在轉向軸與轉向盤之間，測得人體沖擊轉向機構的力值。

（5）法規試驗未包含氣囊展開相關內容。

（6）設定試驗方案為在安全氣囊展開最大時，實現人體軀干模塊對轉向機構的沖擊。

圖一

圖二

安全氣囊的點爆

在轉向機構對駕駛員傷害的試驗中，點爆氣囊的信號必須由外部適時給予。在實際行車過程中安全氣囊根據傳感器不斷將車速變化的信息輸入到電子控制器，經電子控制單元計算、分析、比較和判斷，隨時準備發出指令。當汽車高速沖撞時，前方傳感器，中央傳感器和安全傳感器同時向電子控制器輸出沖撞信號，電子控制器使電雷管引爆，氣囊展開。從發生沖撞、傳感器發出信號到控制器判斷引爆電雷管，一般需要10ms時間。引爆后，氣體發生器產生大量氮氣，迅速吹脹氣囊。從發生沖撞到氣囊形成，全過程所需時間為30-35ms。

點爆氣囊的準備：

（1）從組合開關上把連接安全氣囊的點火接線跳出，并將接線頭與氣囊背面的插座連接。

（2）安全氣囊的點爆參數：提供≥2A的恒流源，保持2秒鐘。點火兩極間的電阻為2.15Ω±0.35Ω。

（3）設置安全氣囊點爆試驗裝置（點爆控制器、光電傳感器、恒流源）確保氣囊只在試驗輸入點爆信號時打開。

氣囊點爆的控制

要解決提供氣囊爆炸觸發信號的問題。通過光電信號經過氣囊點爆控制電路來實現精確點爆控制。（圖二是一個具有二級氣囊點爆功能的電路）

（1）光電信號通過一個激光發射器和一個光電傳感器（光電開關）組成。

（2）光電傳感器為NPN型結構，棕端與電源正極連接，蘭端與電源負極連接，黑端為光電傳感器開關的輸出端。常態時，光電傳感器接收到激光發射器發出的紅光后，光電傳感器的蘭端和黑端是斷開的，此時正電源通過電阻R2到晶體三極管T1的b極，使晶體管三極管T1導通，晶體三極管T2為T1的反向器連接，當T1導通時T2即截止，繼電器J1、J2處于釋放狀態。

（3）當人體模塊飛過遮擋激光發射器光源時，光電傳感器的蘭端和黑端導通，使晶體三極管T1的b、e極之間的電壓為0，T1截止，此時正電源通過電阻R3到晶體三極管T2的b極，使晶體管三極管T2導通，由于T2的導通使繼電器J1線圈得電吸合，繼電器J1為具有三組觸點，此時利用一組常開觸點控制了氣囊點爆，另一組常開觸點控制了攝像機的攝像，還有一組常開觸點并聯在電路中的晶體三極管T2的e、c極之間，使電路自鎖，保持繼電器J1線圈繼續得電吸合。

（4）在電路中電容C1、可變電阻R5、電阻R6、晶體三極管T3和繼電器J2組成了延時點爆控制電路，控制第二個氣囊的點爆。在延時點爆控制電路中，電容C1、可變電阻R5組成了一個積分電路，通過改變可變電阻R5的阻值，改變電容C1的充電時間，達到第二個氣囊延時點爆0-10ms的可調時間要求，延時點爆時間的調節刻度可通過示波器進行校準。

（5）電路中發光二極管LED1-LED3分別為電源指示、第一級點爆指示和第二級延時點爆指示，二極管D1和D2分別為繼電器J1和J2的續流二極管，主要為釋放繼電器J1和J2線圈的反電勢而設。

（6）高速攝影能自動設置截取觸發前幾毫秒的映像進行數據記錄。

圖三

氣囊展開至最大程度時

與人體模塊發生碰撞的匹配

在汽車發生前碰撞時，車內乘員在慣性力作用下仍以原來速度繼續向前運動。當氣囊引爆后，氣體發生器產生氮氣，迅速吹脹氣囊。從發生沖撞到氣囊形成，進而到安全帶拉緊，全過程所需時間為30-35ms，而此時正是氣囊與乘員相接觸的時刻。當安全氣囊尚未展開至最大時乘員即與氣囊相碰，會由于氣囊在爆炸過程中的沖力對乘員造成二次傷害；而當安全氣囊從展開至最大程度過渡到泄氣過程乘員與氣囊相碰會由于氣囊的癟氣，達不到吸收乘員的運動能量的作用。在氣囊點爆的匹配過程中要獲取以下參數并進行計算。

（1）當安全氣囊被完全點爆時（即氣囊展開至最大程度），定義帶轉向機構位置及安全氣囊展開的尺寸（特別是水平尺寸）。

（2）安全氣囊受到點爆信號，氣囊展開至最大程度所用的精確時間。

（3）轉向軸與水平面夾角A。

（4）根據以上參數作圖三，計算得出氣囊觸發點的位置。

（5）根據氣囊觸發點位置精確設置光電傳感器位置。

L：氣囊觸發點到與人體模塊碰撞點間的距離＝氣囊從點爆到展開到最大的時間×發射假人的初速度

L1：氣囊觸發點至方向盤中心的距離（設定值）L1=L+L2+L3

L2：1/2Cushsion Diameter*SinA

L3：1/2Cushsion Thickness*CosA

A：轉向軸的角度

圖四 觸發氣囊

圖五 氣囊展開至最大

試驗過程照片

控制發射，人體模塊即以設置的初速度25km/h飛出，光電開關時觸發氣囊點爆，安全氣囊開始打開，當安全氣囊展開至最大程度時，人體模塊氣囊相吻合，然后氣囊在其沖擊下開始泄氣，轉向軸與轉向盤之間的壓力傳感器記錄作用在作用力。見圖四、圖五。

試驗結果圖形

按照GB11557/ECE R12法規要求進行帶有氣囊展開的轉向機構對駕駛員傷害試驗，圖六為試驗合成水平力原始數據圖形，試驗結果表明氣囊展開能有效減少軀干受力情況。

圖六

結論

越來越多的轉向機構對駕駛員傷害的試驗，要求在氣囊展開的情況下按GB11557/ECE R12法規來進行測試。在沖擊的過程中，準確點爆和匹配氣囊，并用高速攝影來還原試驗場景，是實現試驗的最有效途徑。