結(jié)合氣囊靜態(tài)展開試驗評價氣體發(fā)生器性能的新指標K的研究

王 紅，王宏雁

(同濟大學(xué))

1 前言

氣體發(fā)生器是產(chǎn)生氣體的部件，是汽車安全氣囊中的核心部件之一。目前，國際上用于汽車安全氣囊的氣體發(fā)生器主要有3種形式:煙火式、高壓氣瓶式和混合式。因混合式氣體發(fā)生器產(chǎn)氣比較穩(wěn)定，對應(yīng)氣囊產(chǎn)品高低溫性能相差比較小，故成為氣囊開發(fā)過程中的首選。氣囊靜態(tài)展開試驗是氣囊開發(fā)中必要的試驗之一，可直觀的評判氣體發(fā)生器的匹配效果及充氣性能。

2 指標K的可行性理論分析

在氣囊研發(fā)過程中，我們可以通過氣體發(fā)生器壓力容器試驗的P-T曲線來預(yù)測氣囊靜態(tài)展開性能，從而判斷氣體發(fā)生器的性能。試驗證明，壓力容器試驗中最大壓力時間是氣囊能夠充滿的最大時間，若此時氣囊仍沒有充滿，則以后也不能充滿了，但一般設(shè)計時，氣囊充滿的時間應(yīng)該在最大壓力時間之前。

在這種情況下，本文提出一個衡量氣體發(fā)生器充氣性能的指標K，其中T1、P1、K1分別為靜態(tài)展開試驗中氣囊充滿時間、相對應(yīng)的P-T曲線中的壓力及此時的斜率，T2、P2為P-T曲線中達到最大壓力的時間和壓力值，Kmax為P-T曲線中斜率最大值，定義指標K為K1、Kmax之間的比例關(guān)系，即K=K1/Kmax。

文中采用某種氣體發(fā)生器以及對應(yīng)固定結(jié)構(gòu)的氣囊模塊，通過做常溫、高溫、低溫下氣體發(fā)生器的壓力容器試驗和氣囊模塊的靜態(tài)展開試驗，并通過對試驗結(jié)果的分析來定義指標K的范圍及闡述指標K的應(yīng)用。

3 指標K的計算

3.1 壓力容器試驗

X樣品6只，各2只分別在(-355-2.5) ℃、(23 ±5) ℃、(852.5-5)℃3種溫度下保溫4 h后在60 L剛性密閉容器內(nèi)點火，采集壓力-時間曲線，壓力通道的濾波采用CFC:ISO 6487中的1000級。

計算曲線斜率時，壓力曲線采用CFC60濾波后再求導(dǎo)。

3.2 靜態(tài)展開試驗

Y樣品6只，各2只分別在(-355-2.5)℃、(23 ±5) ℃、(852.5-5)℃3種溫度下保溫4 h后點火，試驗過程中使用高速攝像機(1 000幀/s)從前面及側(cè)面拍攝下整個充氣過程，測定氣袋展開的確切時間。

3.3 試驗結(jié)果

對于表1中測試值，如下定義和標識。

T1為靜態(tài)展開試驗中，點火到氣袋完全充滿的時間(ms);T2為壓力容器試驗中，點火到壓強最大需要的時間(ms);P1為壓力容器P-T曲線中，T1時間對應(yīng)的壓力值(kPa);P2為壓力容器P-T曲線中，T2時間對應(yīng)的壓力值(kPa);K1為壓力容器P-T曲線CFC60濾波后求導(dǎo)，T1時間對應(yīng)的導(dǎo)數(shù)值;Kmax為壓力容器P-T曲線CFC60濾波后求導(dǎo)，最大導(dǎo)數(shù)值。

表1 測試值

T1、T2如圖1 ～6 中橫坐標所示，P1、P2如圖 1、3、5 中對應(yīng)T1、T2縱坐標所示。

K1如圖2、4、6 中 T1對應(yīng)的縱坐標所示，Kmax為圖2、4、6中曲線最高點縱坐標。

圖1 高溫下的P-T曲線

圖2 高溫下的壓強變化率

3.4 試驗分析

圖3 常溫下的P-T曲線

圖4 常溫下的壓強變化率

圖5 低溫下的P-T曲線

圖6 低溫下的壓強變化率

在此氣囊樣品中，如圖2、4、6所示，氣體發(fā)生器在發(fā)生作用時，壓強變化率先增大到Kmax，然后逐步減小，到K1=Kmax×K 時(其中 K=(53.28%+52.56%+53.44%)/3=53%)，氣袋即完全充滿。也就是說當壓強變化率減小到53%時，氣袋即可充滿，而此時氣囊的充滿時間為T1時刻。本性能指標K僅從靜態(tài)情況出發(fā)，并且氣囊為固定結(jié)構(gòu)。此駕駛員側(cè)氣囊樣品中，氣體發(fā)生器為60 L，氣袋為60 L，所得K=53%。但是對于氣囊展開時的實際情況來講，試驗的環(huán)境溫度、氣袋的折疊方式、排氣孔大小、氣袋體積等等都會影響氣囊的充滿時間及發(fā)生器的工作方式。經(jīng)過大量不同氣囊及發(fā)生器樣品試驗結(jié)果計算，副駕駛員側(cè)混合式氣體發(fā)生器的K值范圍為55±15%，期間K值隨溫度升高而增大。不同試驗樣品下駕駛員測混合式氣體發(fā)生器K值范圍較小且隨穩(wěn)定的變化也較穩(wěn)定，為53±5%。

因此，本文提出指標K=K1/Kmax。若已知一氣體發(fā)生器的P-T曲線，繪出其壓強變化率的曲線，找到其最大值Kmax，根據(jù)前面所獲得的K值范圍，K1=K×Kmax，即可得到推導(dǎo)出此擬定條件下的氣囊靜態(tài)展開完全充滿需要的時間T1的范圍，若所得T1時間范圍滿足該項目靜態(tài)展開限值要求，即可判斷此氣體發(fā)生器性能符合此項目氣囊產(chǎn)品開發(fā)需求。

4 結(jié)論

氣體發(fā)生器是汽車安全氣囊系統(tǒng)中產(chǎn)生氣體的部件，而壓力容器試驗是考查氣體發(fā)生器必不可少的重要試驗，評價氣體發(fā)生器充氣的性能一般是通過分析氣體發(fā)生器P-T曲線。從氣體發(fā)生器的P-T曲線中，先期判斷出氣囊靜態(tài)展開的性能，為氣囊設(shè)計中選擇發(fā)生器提供了重要依據(jù)。

［1］ 曹雄.汽車安全氣囊氣體發(fā)生器性能測試研究［J］.中北大學(xué)學(xué)報，2005，26(6).

［2］ 道路車輛 安全氣囊部件:第3部分:氣體發(fā)生器總成試驗(GB19949.3-2005)［S］.

［3］ 道路車輛 安全氣囊部件:第2部分:安全氣囊模塊試驗(GB19949.2-2005)［S］.