乘用車前排乘客席安全氣囊蓋板設計要點

安惠楠，肖 博

(一汽豐田汽車有限公司技術研發分公司 天津 300457)

1 安全氣囊蓋板的材料

1.1 材料種類

軟質安全氣囊蓋板材料主要有四大類：共聚聚酯彈性體(TPEE/COPE)、TPO、PVC和熱塑性聚氨酯(TPU)。硬質材料主要有2類：聚丙烯和PVC/ABS吸塑復合片材[1]。

下面主要介紹安全氣囊蓋板最常用的TPO材料特性。TPO一共有4種，暫且把它稱為1A、1B、2、3。其中1A適用于駕駛席氣囊罩、乘員席氣囊蓋板(含有撕裂線)；1B適用于駕駛席氣囊罩、員席氣囊蓋板(含有撕裂線)、側氣簾氣囊盒；2和3種適用于乘員席氣囊蓋板(門式)及安裝在PILLA內的側氣簾。

TPO材料的品質要求相關，詳情參見表1。

表1 TPO材料的品質要求 Tab.1 Quality requirements for TPO materials

1.2 材料評價要求

氣囊蓋板材料評價要求分為材料物性要求和零件性能試驗要求。

①材料物性要求：密度、材料拉伸試驗、缺口沖擊試驗、洛氏硬度R級、霧度及阻燃性試驗等。

②零件性能試驗要求：氣味性試驗、耐熱試驗、耐光性試驗、振動試驗、冷熱循環試驗、燃燒性試驗、霧化性試驗、VOC試驗、SOC試驗等。

因為氣囊蓋板處于日光光照范圍，所以對光照實驗有嚴格要求。通過50倍的顯微鏡觀察樣品照射表面的微裂紋等與試驗前的狀態是否有不同，進行褪色目視判定，用判定等級表示試驗片的變褪色程度。

1.3 材料性能試驗

①耐熱老化性試驗，熱老化后的拉伸試驗：將試驗片放入設定為(110±2)℃的恒溫槽內，放置2 400 h后立即取出并在室溫下進行拉伸試驗。試驗溫度為(23±2)℃及(-10±2)℃。

②熱老化后彎曲試驗：將試驗片放入設定為 (110±2)℃的恒溫槽內，放置2 400 h后立即取出并在室溫下進行彎曲試驗。試驗溫度為(23±2)℃及 -102℃。

③熱老化后沖擊試驗：將試驗片放入設定為 (10±2)℃的恒溫槽內，放置2 400 h后立即取出并在室溫下進行沖擊試驗。試驗溫度為232℃及(-30±2)℃。

2 安全氣囊蓋板的結構類型

安全氣囊蓋板的結構類型按照弱化線形式通常分為3種。

①U型：弱化線型式為U型，由于沒有門朝乘員側打開，可以避免門打到乘員的風險，另外U型門還能對氣袋起到一定的導向作用。但由于氣囊爆破時門蓋旋轉半徑較大，有時可能很難避門蓋打前擋玻璃。圖1為U型氣囊門。

圖1 U型氣囊門 Fig.1 U-shape airbag panel

②H型：弱化線型式為U型，H型門減小了單扇門的旋轉半徑，有效避免了氣囊門打前擋玻璃的風險，但由于有一扇門是朝乘員打開，需要校核位置，以避免對乘員的傷害。圖2為H型氣囊門。

圖2 H型氣囊門 Fig.2 H-shape airbag panel

③Y型：弱化線型式為Y型，一種新型氣囊門型式，門蓋有3扇門，一扇向前打開，另外2扇分別向兩側打開。可以避免對乘員的傷害，但由于氣囊在橫向的尺寸一般比較大，外側門蓋也比較難避免打到玻璃。結構和工藝比較復雜。

氣蓋板弱化結構強度和鉸鏈強度必須控制在合理范圍內，弱化結構和鉸鏈太強，則氣囊門會延時打開，造成氣囊袋完全充滿之前就與乘員接觸，起不到保護乘員的目的。如果弱化結構和鉸鏈太弱，則鉸鏈易發生斷裂，氣囊門飛向乘員，對乘員造成傷害[2]。

3 產品制造工藝對設計的要求

3.1 安全氣囊蓋板的安裝形式

安全氣囊蓋板的安裝形式通常有3種：一種是直接利用儀表板骨架作為安全氣囊門，也就是當注塑骨架完成以后(或發泡完以后)直接在骨架上做弱化；另一種是安全氣囊蓋板作為單獨的一個零件，注塑完以后和骨架焊接或者鉚接，裝配之后與骨架一同發泡，發泡完成后再進行撕裂線處的弱化[3]；最后一種是做分件處理，即氣囊蓋板區域使用獨立的零件，這種形式目前應用較少。

3.2 氣囊蓋板的弱化處理工藝

在氣囊蓋板的設計中，為保證氣囊爆破能順利的展開，一般會對氣囊蓋板的氣囊沖出區域進行特殊的處理，使其降低強度，以保證氣囊爆破過程中優先斷裂展開。

常見的弱化處理方法包括激光弱化、冷刀弱化等。弱化處理的關鍵工藝參數是殘余厚度，殘余厚度太小表面痕跡明顯，殘余厚度太大又可能造成氣囊門不能順利打開。一般都是在優先滿足爆破性能的基礎上對外觀有一定的犧牲。

3.3 澆口的布置

澆口位置、澆口數量等模具結構參數設計在很大程度上影響氣囊蓋板的性能。澆口位置對熔接線也有很大的影響。通常對于氣囊蓋板來講，一般設置 2個澆口，沿著撕裂線上下或左右分布。可以先根據經驗預設澆口位置，然后通過模流分析逐步改善。某車型氣囊蓋板的左右2個澆口布置如圖3所示。

圖3 澆口位置示意圖 Fig.3 Gate location

3.4 熔接痕與產品外觀

熔接痕是指產品注射過程中兩股以上熔融樹脂流相匯合，熔料在界面處未能完全熔合，彼此不能熔為一體，造成熔接痕跡，如此所產生的細線狀缺陷。熔接痕的位置將影響零件的表面質量、機械性能，嚴重的還會影響氣囊蓋的點爆性能。澆口也對熔接痕的形成有很大影響，可以通過改變澆口的數量和位置來調節熔接痕的位置。氣囊蓋打開時鉸鏈處不允許存在熔接痕，位置如圖4所示。另外，氣囊爆破時，為避免氣囊盒飛出，與氣囊發生器搭接的位置也應保證強度，不能出現熔接痕，如圖5所示。

圖4 表面熔接痕不可位置 Fig.4 No weld line location

圖5 開口處熔接痕不可出現位置 Fig.5 No weld line location of clamping

圖6顯示了氣囊蓋板外觀不良問題，白色線處發生流痕，下面對流痕進行說明。

圖6 氣囊蓋板流痕 Fig.6 Airbag panel flow mark

外周的形狀為板厚4 mm，內部的板厚為2 mm，有壁厚差。在CAE分析中也可以確認流動速度的差異，因為兩者的壁厚存在差異，一股溶膠在流速上存在差異，使其形成一定夾角，故成型后表面顯示一條膠位流出痕跡。

“熔接痕”指在具有相對于多點澆口或流動方向分開的形狀的情況下，產生2個方向的流動，導致流體互相的表層碰撞。此零部件中，相對于2點澆口，沒有對流方向(縱向)的熔接痕，這是調整成型條件的結果(可以對應樹脂溫度低，射出速度低)。由于雙方表層的樹脂溫度都進行了調整，既沒有熔接外觀問題，也沒有樹脂的結合強度(樹脂密度)問題。這次將對橫向外觀不良進行驗證。

氣體產生的圖像截面如圖7所示。流動是指樹脂從“厚的空間向狹窄的空間”流動。因為溶膠跑進狹窄的地方，所以從整流變成湍流，流動混亂。這種湍流會在樹脂內部產生剪切發熱，進而產生氣體。另外，跑進狹窄部位的樹脂會加速流動，由此會產生樹脂的流速差。在有偏壁板厚的情況下，會產生上述的樹脂流動變化點，結果會向外觀產生氣體圖案的轉印。由于TPO材料特別富含橡膠成分，其特征是氣體產生量比PP材料多。

圖7 氣體產生的截面 Fig.7 Section of gas generation

速度快的樹脂拉慢的樹脂表示了樹脂之間一邊拖著一邊流動的現象。盡管彼此的樹脂溫度不變，交聯溫度(樹脂的結合)不變，強度和密度沒有變化，但是產生的氣體因為沒有退路，所以被推向溫度低的表面側，結果氣體被轉印到設計面上。一般來說，我們對于熔接痕和流痕的不同，作為看清熔接痕→一條直線的花紋、流痕→波形的線的基準，在試作時候分為不良層，如圖8所示。因為是波浪形狀的線，所以驗證了流痕及之前的假說。

圖8 氣體產生的截面 Fig.8 Section of gas generation

由于需要在流痕部位確認斷裂強度，有必要通過拉伸試驗確認斷裂面是否為流痕產生的部位、斷裂強度是否滿足規格要求。

通過樹脂斷裂強度的評價結果評價過程從略。可以證明流痕只是產品外觀發生不良，對強度并沒有影響。

4 氣囊爆破性能確認

氣囊工作過程簡單描述：碰撞時，空氣囊傳感器檢測撞擊強度，引燃器點燃增強劑和氣體發生劑顆粒，產生大量氣體使氣囊膨脹，減少對乘員的撞擊，然后迅速通過袋子背后的排放孔泄出。這就減少了對氣囊的撞擊力，并且確保了適當的視野。

碰撞時間→0 ms；遇到碰撞→10 ms；點火引爆開始充氣→40 ms；氣囊充滿人體前移→60 ms；排氣節流吸收動能→110 ms；人體復位恢復視野→120 ms；危害解除車速為0。

試驗方法如下所示：

①將儀表板總成安裝于車頭工裝；②常溫點爆，在23℃下氣囊點爆；③高溫點爆，在75℃的條件下存放4 h，使用加熱毯加熱儀表板表面至102℃并保持5 min，并使用風扇對前擋風玻璃吹風，撕去加熱毯，當儀表板表面溫度降低至(93±3)℃時進行點爆；④低溫點爆，在-30℃的條件下存放4 h，將儀表板拉出環境箱， -等待表面溫度上升至20℃時候進行氣囊的點爆。

試驗要求：無硬質碎片飛出；氣囊門的打開不影響氣袋的正常打開；進行風險評估。

5 氣囊爆破的失效案例及預防方法

為了安全，不要在氣囊的前方、上方或近處放置物品，這樣有時候卻會帶來一些隱患。如在中控臺或儀表板上放置一些雜物，一旦遇到事故，氣囊打開，這些東西都會隨著打開的氣囊拍到前排乘客的臉上，造成二次傷害。乘車時與氣囊保持合適的距離，氣囊膨開時爆發力很大，而且比一眨眼的時間還短。如果離氣囊太近，例如身體前傾，可能會受到嚴重傷害。在撞車前和撞車過程中，安全帶可以保持住您的位置。因此，即使有氣囊，也要系好安全帶。

以下列舉一些氣囊爆破失效的案例。

5.1 低溫實驗——IP前部在氣囊門沖擊下破裂并有碎片飛出

如圖9所示，失效機理：材料在-30℃低溫下韌性急劇下降，受到氣囊門爆破力的沖擊而出現破裂，并有硬質碎片飛出。

圖9 碎片飛出 Fig.9 Debris flying out

改進方法：檢查材料的彈性體含量及厚度；加強氣囊門鉸鏈的結構，增加厚度到2.3～2.8。

前期預防：監控原材料質量波動(如在IVMRD前進行Multiaxial Impact@Cold Temperature)。

5.2 氣囊門在handimpact實驗中出現裂紋

失效機理：材料弱化后強度低，在落球沖擊下出現破裂。

改進方法：增加產品弱化的殘余厚度；調整深淺孔的比列。

前期預防：IVMRD之前進行Hand Impact實驗。

5.3 低溫實驗——本體與氣囊門脫焊飛出

失效機理：本體與氣囊門焊接受到剪切力發生脫焊。

改進方法：調整焊接熔深到1.2 mm；調整氣囊弱化線位置，避免本體受剪切。

前期預防：IVMRD之前進行GMW16610 PAB Chute Weld Test。

5.4 高溫實驗——IP表皮無規律地沿縫線和弱化線處撕開

如圖10所示，失效機理：表皮的發泡層強度較弱，使得表皮在氣囊爆破過程中易與發泡層撕裂。

改進方法：改善表皮發泡層的強度；使用裝飾壓條控制表皮沿弱化邊先撕開。

前期預防：BP(控制撕裂線與縫線距離)。

圖10 撕開 Fig.10 Tear seam

5.5 低溫實驗——氣囊門蓋與擋風玻璃干涉后斷裂飛出

失效機理：氣囊門翻開后與玻璃的干涉量太大約55 mm。

前期預防：BP(控制氣囊門蓋與玻璃干涉量)。

5.6 高溫實驗——儀表板骨架破裂并有碎片飛出

失效機理：IP骨架弱化線至PAB chute焊接筋的設計距離過長(比BP要求長2 mm左右)，導致“懸臂”結構過長，在爆破過程中易破裂。

改進方法：撕裂線前移以減小撕裂線和骨架焊接筋之間的距離。

前期預防：BP(控制焊接筋懸臂長度)。

5.7 高溫實驗——乘員側除霜除霧風口飛出

失效機理：格珊與IP骨架有定位問題；snap卡接量不足。

改進方法：Tuning格珊定位筋；增加snap卡 接量。

前期預防：P-spec(控制除霜除霧格珊點爆實驗前及老化后拉脫力)-Ongoing

6 結 語

通過闡述前排乘客席氣囊蓋板的設計原理、材料選擇、氣囊蓋板打開型式、安裝型式、澆口及熔接痕位置、流痕位置及氣囊的失效模式、失效案例和預防方法等內容，總結寶貴的經驗，為后續自主設計開發氣囊蓋板提供了技術支持。