氣囊折疊方式對CAB氣囊起爆影響的研究

張晚青 楊勝 蘇俊男

摘要：本文以某項目的CAB氣囊開發為實例，簡述了CAB氣囊開發過程。并以后排CAB氣囊展開速度快慢為切入點，驗證不同CAB氣囊折疊方式對氣囊后排展開速度的影響，并設計了一種臺車試驗驗證方法來驗證，最終能夠達到C-NCAP中對于CAB氣囊的保護要求。

Abstract： Taking the cab airbag development of a project as an example， this paper briefly describes the cab airbag development process. As a starting point， the impact of different CAB airbag folding modes on rear CAB airbag expanding speed was verified， and a bench test verification method was designed to verify that the protection requirements of CAB airbag in C-NCAP could finally be met.

關鍵詞：CAB氣囊;C-NCAP;保護區域

Key words： Cab airbag;C-NCAP;protected areas

中圖分類號：U467 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）02-0095-03

0 ?引言

汽車碰撞安全是一個非常復雜的系統工程，它把盡可能的保護乘員及行人的安全作為首要研究任務，同時也要盡量保護車輛安全，即盡可能使車輛免受碰撞，或者在遭受輕微碰撞時，車輛便于修復且成本低廉。在碰撞安全保護過程中，分為主動安全和被動。近年來雖然主動安全研究的越來越多，但被動安全一直是不可忽視，不可放棄的部分，也是碰撞安全最早研究的課題。

被動安全是乘員碰撞保護的重要組成部分，在其他保護措施都無法起作用的情況下，是最終的一道防線。通常我們所講的乘員約束系統集成屬于被動安全領域，通過集成安全帶，座椅、安全氣囊、轉向盤及管柱等乘員周邊的零部件來達到較少碰撞過程中乘員傷害值的目的。但碰撞安全試驗成本高，研發周期長，改變車型就需要重新試驗，費時費力，減少試驗次數，提升約束系統集成能力是一個可行方法。氣囊系統就是被動安全是乘員碰撞保護的重要組成部分。通過被集成到約束系統中，減少碰撞過程乘員的損傷。當汽車與碰撞物碰撞后，稱為一次碰撞，乘員與車內構件發生碰撞，稱為二次碰撞，氣囊在一次碰撞后、二次碰撞前迅速打開 ，形成一個充滿氣體的氣墊，使乘員因慣性而移動時“撲在氣墊上”從而緩和乘員受到的沖擊并吸收碰撞能量，減輕乘員的傷害程度。

CAB（curtain airbag）是氣囊系統的一部分，布置在車輛頂部。在側面碰撞發送過程中，CAB氣囊能夠接收到ECU發出的信號，非常迅速的展開，形成一個大的氣墊，阻隔在乘員頭部與車門側附近堅硬部件之間（如圖1所示），起到緩沖頭部慣性，保護頸椎及頭部安全的作用。而CAB氣囊如何迅速展開，以便及時有效保護前后排乘員，是CAB氣囊的研究重點。本文以某項目實際開發經驗為例，驗證不同折疊方式對CAB展開的影響，以便保證氣囊能夠在碰撞試驗評估中滿足對乘員保護的要求。

1 ?C-NCAP中CAB氣囊碰撞過程要求

C-NCAP （中國新車評定規范）經過多年的發展，已成為中國汽車產品安全研發的風向標，更成為汽車安全的代名詞。隨著C-NCAP 的順利實施及研究的深入，中國汽車技術研究中心也對《C-NCAP管理規則》進行了多次完善和提升，經歷了2006 年版、2009 年版、2012 年版、2015 年版、2018年版的變更。如今，車輛被動安全技術日益精細化，而主動安全技術也進入快速飛躍式發展階段，被動和主動安全技術的相互融合將構成全方位的車輛乘員安全防護體系。

2018年版C-NCAP增加了CAB氣囊的加分項，包含側面碰撞試驗中氣簾的外觀尺寸、展開形態和動態保護三項性能符合規定的技術要求，則可獲得相應的加分。其中每項性能分別設置為1 分，最高加分為3 分。具體要求如下。

1.1 整體要求

CAB氣囊必須為前后一體式氣簾，且氣簾應覆蓋前排至第三排（如果有）乘坐位置。必須同時配置有前排側面氣囊，若兩側不對稱則單獨進行評價，取較差評價結果。

1.2 尺寸要求

非充氣區域間的接縫寬度不超過15mm;非充氣區域的直徑不大于50mm;當氣袋內的氣壓處于制造商推薦的壓力值或0.3～0.4bar時，袋體應處于有效的充氣狀態。

1.3 評估區域

HPD 評估區域為圓角四邊形，其四個圓角的圓心，通過假人頭部重心坐標來確定的，而假人頭部坐標依據“H”點裝置的“H”坐標點計算而來。評估區域不包括側圍頂部、B 柱、C 柱及門腰線對應的區域，如圖2所示。此評估區域是根據開發車型的不同假人座椅行程位置計算得出。

1.4 動態保護要求

實車碰撞中，CAB氣囊展開區域要能覆蓋假人頭部質心120mm直徑范圍的圓區域。

2 ?CAB氣囊的保護區域設計

CAB氣囊的設計過程中要考慮氣囊評估區域。當前常用的方法是進行CAE仿真模擬分析方式進行保護區域設計，可以提供前期設計目標要求，及CAB氣囊設計過程中的反復計算驗證結果。仿真設計的過程如下：

①按照客戶提供的CAB氣囊布置的周邊環境件，及假人H點的行程位置關系，包含5%、50%、95%假人的H點位置。基于此輸入數據畫出CAB氣囊保護區域框圖;

②通過Ls-dyna軟件進行CAB氣囊建模，按照標準要求的0.3～0.4bar進行仿真模擬充氣得到充滿的CAB氣囊。為了保證一定的安全余量，這里可以按照0.4bar的內壓模擬氣囊充滿狀態，內壓越高，氣囊充氣越飽滿，上下及前后的覆蓋面積會越小。最后，把氣囊仿真模型放入環境件模型中進行評估;

③通過后排假人頭部質心坐標，畫出120mm的圓，分析CAB氣囊模型展開后能否覆蓋后排頭部質心范圍，驗證氣囊動態保護效果。

如圖3所示為當前仿真結果，紅色線框為保護區域，仿真模擬的氣囊展開狀態都能夠覆蓋，分析此氣囊能夠滿足保護區域設計。

圖4所示為CAB氣囊后排動態保護模擬分析結果。模擬分析結果顯示，CAB氣囊后排能夠覆蓋后排假人頭部質心周邊120mm直徑的圓。

3 ?不同折疊方式對CAB氣囊展開的影響

CAB氣囊展開是否迅速，關乎在碰撞過程中對乘員的保護效果，因此CAB氣囊展開要突出一個“快”字，要保證CAB氣囊快速展開到位。由于保護區域的劃分關系及前后排假人大小的差異前排腔體要大一些，結合上面氣囊模擬分析圖片也能證明這一點。這種大小差異會引起的問題，隨著碰撞的發生，假人頭部已經偏轉，但是氣囊展開還未到位，影響氣囊起爆的評估，如圖5所示，氣囊未展開到位，打到假人頭部事例。

折疊方式的優化，是改善CAB氣囊后排展開到位時間慢的原因之一，本文選出兩種比較典型的折疊方式進行研究來驗證折疊方式的影響。方式一為常見的全Z形折疊，方案二為先卷后Z折疊，如圖6所示。

為了進行這兩種CAB氣囊折疊展開效果的驗證，設計一種動態滑臺試驗的驗證方式，既能觀察CAB氣囊展開效果，又能分析CAB氣囊后排對動態假人的保護效果。

臺車驗證方案示意圖，如圖7所示。把安裝有CAB氣囊的白車身垂直放置在臺車上，按照箭頭方向加載車體波形，車上放置一個后排SID2s假人，整體過程模擬實車碰撞過程。隨著滑臺試驗進行及波形的加載，假人會隨著慣性向左側車門側偏轉，就能驗證CAB氣囊展開快慢的，及會假人頭部的保護效果。

分別對比了氣囊展開0ms時刻、展開10ms時刻、20ms時刻，如圖8所示。通過對比分析發現，折疊方式二（先卷后Z折疊）明顯氣囊展開速度更快，尤其是對于后排氣囊保護效果的對比。10ms時刻，折疊方式二，CAB氣囊的前腔和后腔展開的長度接近，展開速度也接近。20ms時刻，折疊方式二的CAB氣囊后腔，已經能夠完全展開，覆蓋到假人頭部保護區域。而折疊方式一的后腔展開明顯要慢一些，非常直觀的驗證了改善折疊方式對CAB氣囊后腔展開速度快慢的影響。

4 ?實際碰撞結果

通過實車碰撞測試結果可知，在CAB氣囊的評價中，此CAB氣囊能夠滿足標準要求。具體評價結果如下。試驗結果如下：

對氣簾進行靜態點爆，確認該車型兩側的側氣簾結構、安裝位置一致。依據C-NCAP（2018版）要求對側氣簾進行充氣，通過三坐標設備進行氣簾外觀尺寸的測量和評估，測試結果見圖9和10。圖中紅色線條圍成的區域代表根據座椅H點計算得到的主駕駛頭部保護區域（簡稱“理論評估區”），橙色線條圍成的區域代表根據座椅H點計算得到的副駕駛頭部保護區域（簡稱“理論評估區”），黃色線條代表由頂棚、B柱、C柱圍成的豁免區域邊界以下簡稱（“豁免邊界線”）;豁免邊界線內的理論評估區為氣簾充氣區域應覆蓋的區域（簡稱“實際評估區域”）;綠色線條代表氣囊邊界及縫線區域邊界（簡稱“氣簾充氣區域”）。

圖9為前排座椅區域對應的評估區域，該位置處氣簾滿足外觀尺寸要求。

圖10為后排座椅區域對應的評估區域，該位置處氣簾滿足外觀尺寸要求。

圖11所示為前后排氣囊碰撞過程中截圖，分析CAB展開過程中，能夠覆蓋前后假人質心范圍。

5 ?結論

通過臺車試驗驗證及最終碰撞測試驗證，CAB氣囊折疊中的先卷后Z的折疊方式對于氣囊展開速度的控制更優。這種折疊方式能夠迅速打開氣囊前、后腔，以便保證CAB氣囊在側面試驗對前后排乘員的保護效果。本文中設計的試驗方法，后續可以驗證更多CAB折疊方式差異變化，為后續CAB氣囊開發提供一種可行的試驗方法。

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