安全气囊气体发生器用过滤网浅析

张银银 冯涛 陈樊 张俊杰

摘 要：过滤网是烟火式安全气囊气体发生器的重要组件之一。过滤网的主要作用是降低燃气温度并过滤残渣，从而减少气囊模块展开时发生器内膨胀气体对气袋的冲击和灼伤。过滤网种类较多，每种过滤网的制作工艺差别较大。该文对各种过滤网的制作工艺及特点进行归纳，重点研究针织压制过滤网对发生器性能的影响。该文介绍了针织过滤网、编织卷制过滤网、金属丝缠绕过滤网、拉伸钢板网四种典型的过滤网，通过对不同类型、不同密度的过滤网进行对比试验，表明在过滤网各参数中，影响发生器性能的关键因素为过滤网的密度，数据显示出随着过滤网密度的增加，发生器产生火焰的长度及数量明显减少、喷出残渣重量减少、气体温度降低；另外，通过分析针织压制工艺并对卷网工序提出改进方法，可以有效地提高发生器性能的一致性。

关键词：过滤网 密度 丝径 气体发生器

中图分类号：U491 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）01（a）-0075-04

安全气囊气体发生器是汽车被动安全系统中的关键部件。在汽车发生事故时，气体发生器迅速向气囊充气，能够有效减少事故对人体的伤害，从而保护驾驶员及乘坐人员的生命安全。现有烟火式饼状气体发生器的典型结构如图1所示。

通常，过滤网用于降低燃气温度并过滤残渣，从而减少气囊模块展开时发生器内膨胀气体对气袋的冲击和灼伤。发生器工作时，其快速燃烧的药剂会产生膨胀的气体，滤网必须能够充分过滤掉气流中的固体颗粒。发生器设计允许少量颗粒物从过滤网通过，但是飞出发生器外的颗粒物重量必须小于1 g[1]。过滤网重量、热传导系数和热容对降低通过其内部的气体温度也起着关键的作用。最后，过滤网必须确保降低温度的气体顺利扩散出去以便加速气袋展开。

这些重要的功能必须有着持续的表现，同时减少或消除发生器的火焰以便满足使用要求。目前过滤网的种类较多，各有优缺点，有些气体发生器厂家有自己的过滤网制造技术，能够较好的和本公司的产气药剂性能相匹配，极大地提高了发生器的整体性能和成本优势。通过过滤网的改进，最大程度地提高发生器性能显得尤为重要。

1 过滤网种类介绍[2]

1.1 针织过滤网

针织网是把金属丝织成长长的筒状，然后按一定的重量或长度分切，将切下的网卷好后放入模具型腔内进行压制就可以得到所需的形状和密度。针织压制过滤网在成型方面有着突出的表现，可以制作任何尺寸和形状的过滤网，包括在过滤网上制作出肩、台阶、凹槽和凸起等结构。

针织过滤网材料可以用不锈钢、碳钢、镀层的丝等金属丝。尽管如此，实际针织过程中金属丝的最大直径是有所限制的。目前，批产环境下金属丝所允许使用的最大直径为0.8 mm。尽管大的丝径在发生器展开时可以防止金屬丝烧断，但是丝径越大，过滤网内部的空隙就越大，这会增加火焰并削弱对固体颗粒的阻挡作用。针织过滤网的密度一般在30%～60%之间。

针织网见图2，主要特点见表1。

1.2 编织卷制过滤网

编织卷制过滤网由一段或多段编织网切成带状然后卷成筒状。里面夹入陶瓷过滤纸后可以过滤非常细小的颗粒。一般，内层使用粗丝网以防止烧断，过渡层采用较细的网以便阻拦颗粒，最外层采用非常粗的网来增大排气开口。这种多层结构有利于在过滤网的任何径向位置加上陶瓷滤纸。这种结构的每一个部分切割成特定的长度和宽度，然后再组装成一个可用的多层圆环点焊在一起。

编织卷制过滤网见图3，主要特点见表2。

1.3 金属丝缠绕过滤网

金属丝缠绕过滤网由金属丝螺旋缠绕而成，具有弯曲径向过滤路径的结构。为了使结构强度更高，缠绕丝被压制成原来直径的一半。这种压平使得沿长度方向产生了两个平行的表面。当螺旋缠绕时，压平的表面互相层叠，因此在表面区域的每个相交点上的相互作用更加紧密。

缠绕过滤网可以通过改变螺旋角来改变孔隙率和通透度。这种特性使得过滤网得内部可以有更加疏松的结构，然后再过渡到过滤网中部的过滤结构。最后外部非常疏松粗大的结构为膨胀气体从发生器气孔排出提供了通道。

单层或多层的过滤网螺旋角和坡度都可以随时改变，使得过滤网可在不同的轴向位置上创造出密集或者封闭区域。这种技术在引导气流通过过滤网以及在过滤网断面阻止气流上都非常有用。

金属丝缠绕过滤网见图4，主要特点见表3。

1.4 拉伸钢板网

1.4.1 多组分拉伸钢板网

多组分拉伸金属轧制过滤网是由一种或者多种拉伸金属压制成圆筒状。所使用的拉伸金属是经穿孔和拉伸过程制成的，并在这一过程中形成开孔，而且材料通过模具同时完成穿孔和拉伸过程。

这些材料又经过一套滚子轧到最终的厚度。开孔的形状、结构和数量与所使用的模具有关。开孔的形状一般为三角形或菱形。这种类型的过滤网有一个明显优点就是在拉伸形式上没有限制，有一些开放的区域，并且整个过滤网可由不同类型材料的混合与配合而成，有利于过滤网性能的调试。

与编织卷制过滤网一样，所有层重叠然后必须在交联处点焊以便形成可用的金属带。交联处越多，焊点就越多，可能造成过滤网凸凹不平且不协调。

1.4.2 单组分拉伸钢板网

可变拉伸钢板网具有多组分拉伸金属网的所有优点并且改善了不足的地方。

可变拉伸钢板网也具有金属的穿孔和拉伸过程。随着控制技术的发展，使得改变钢板孔距、拉伸长度和孔径成为可能。可以制造出每一层都有不同孔隙率的钢板网，并且可以消除所有的层叠以及多部分焊接的问题。

可变拉伸钢板过滤网见图5，主要特点见表4。

2 密度对发生器性能影响

过滤网对60L Tank P-t[3]曲线影响较大，同时对发生器火焰和残渣的影响也比较明显。本文论述的气体发生器使用针织压制过滤网，试验表明在过滤网各参数中，影响发生器性能的关键因素为过滤网的密度。

2.1 对P-t曲线的影响

密度是过滤网的重要参数，定义为：

密度=（过滤网的质量÷与过滤网体积相同的钢的质量）×100%

分别用密度为45%、50%、55%的过滤网进行试验，测试的P-t曲线见图6所示。

从图上看出，其他条件相同时，过滤网密度越大，各点压力值就越低。这是因为密度增加后，过滤网重量增加，吸热量增加，导致气体温度降低，故压力就会随密度增加而下降。

2.2 对火焰性能影响

为了试验对比的有效性，将使用不同密度过滤网的发生器压力调整至相当水平，如图7所示。

使用高速摄像机分别对3种过滤网密度的发生器工作过程进行拍摄，得到的发生器的火焰情况见图8所示。

从图上看出，过滤网密度为45%时，火焰长度超出了USCAR标准要求的50 mm限制值，随着过滤网密度的不断增加，气体发生器的火焰逐渐减少且长度变短。说明过滤网密度对消除火焰有着明显的改善作用。

2.3 对残渣的影响[4]

发生器放在60L密闭容器内点爆，对使用不同密度过滤网发生器产生的残渣进行收集并称重，见表5所示：

从表中可以看出，发生器残渣的飞出量随着过滤网密度的增加而降低。

另外，对发生器内壳体上残留的密封金属箔进行整理，见图9所示。

从图中可以看出，过滤网密度越大，发生器内部残留的密封箔越完整，说明气体通过高密度过滤网后温度较低，对密封箔的烧蚀程度減弱。

3 过滤网工艺改进探索

针织过滤网的制作工艺流程如图10。

3.1 织网针数

气体发生器用过滤网织网针数一般为24针、36针和44针，常用材料有优质碳素结构钢SAE1006和SAE1008，钢丝直径多用0.54mm和0.6mm两种。随着防锈技术的进步，过滤网现采用非镀锌钢丝。分别采用24针、36针、44针的过滤网进行试验，试验结果见表6所示。

从试验结果看出，随着针数的增加过滤网的径向强度逐渐降低。

对不同针数的织网进行分析。针数越多，针筒直径就越大，织出的网套直径也大。为了便于将网套装入模腔，需要将大直径的网套尺寸进行收缩。例如44针的网套需要将网套直径收缩成与24针网套直径相近水平，如图11所示。

通过将大直径的网套收缩，可以提高过滤网圆周方向透气的均匀性，但是应该容易理解针数多的过滤网在径向的变形能力会增强，这也解释了针数越多，过滤网工作后的径向变形量越大。也就是说增加针数会引起两个相互对立的后果。为了避免这种矛盾，通常是在过滤网外侧增加一个冲有若干开口的钢板保护套来增加过滤网的径向强度。

相反，针数较小时，过滤网的轴向均匀性会有所提高，同时不会带来径向强度的削弱。通过试验结果表明，在满足要求的情况下可以尽量降低过滤网针数。

3.2 卷网

针织过滤网在压制之前都会进行卷折处理，一般情况下是将按重量裁剪好的网套对折卷一次，如图12所示。

过滤网压制完以后，在表面上总是会存在随机分布的通透孔隙，这种孔隙的大量存在会导致残渣量的增加和火焰的飞出。这里通过增加卷网的次数，即增加层数后，过滤网上的出现空隙的情况得到较大的改善。通过试验证明，增加卷网层数后，发生器的一致性提高了20%。

4 结语

该文介绍了各种过滤网的制造工艺和结构特点，对发生器设计中过滤网的选型具有指导意义。对使用针织压制过滤网的发生器进行了P-t曲线测试、火焰试验以及残渣收集试验，分析了过滤网密度对发生器各性能的影响情况，证明随着过滤网密度的增加，气体发生器火焰长度及数量得到了极大的改善，残渣的飞出量减少，气体温度降低，这些变化有利于提高发生器对气袋的适应能力，尤其是适用于无涂层气袋。过滤网制造工艺的改进有助于提高发生器性能的一致性。

参考文献

[1] SAE.USCAR-24[S].Issued 2006-06.

[2] ACS Industries，Inc. Developments in pyrotechnic inflator coolant/filters[J]. International Pyrotechnic Automotive Safety Symposium， 2009.

[3] AK LV03，Airbag-System Gas Generators Requirements and Test Conditions，1999.

[4] SAE J1794，Restraint Systems Effluent Test Procedure， 2011.