基于滑台实验的汽车安全气囊参数优化

张明, 王晓东, 韩博, 李睿

（1.鞍钢重型机械设计研究院有限公司，辽宁 鞍山114031；2.鞍山市中心医院 立山院区 骨科，辽宁 鞍山114031；3.沈阳新松机器人自动化股份有限公司，沈阳110168；4.大连民族大学 机电工程学院，辽宁 大连116600）

关键字：安全气囊；排气孔；均匀压力模型；参数优化

0 引 言

安全带和安全气囊属于汽车的被动安全系统，安全带的用途是在出车祸的时候可以帮助人吸收向前的惯性势能。但是在实验中，安全带虽然具有很强的保护作用，但是头部和胸部的伤害值仍然很高，而安全气囊的使用充分地完善了被动安全系统[1]。然而安全气囊只是被动安全中的辅助保护系统，必须和安全带一起使用才能达到预想的效果。有研究表明：安全带和安全气囊同时使用的保护率能达到60%；只使用安全带时，保护率为45%左右。但是只触发安全气囊时，它的保护率下降到了17%，并且还有可能出现新的伤害，因为瞬间爆发后的安全气囊是非常坚硬的，所以有必要对安全气囊的各项参数进行优化，使其发挥最佳的保护作用[2]。

1 安全气囊系统的组成和工作原理

在组建安全气囊系统时，首先进行的是充气装置的点火系统选择，本研究中选择的是电子式，即通过电路控制的点火方式。还需要选择安全气囊的个数，本次选择的是2个安全气囊，但是主要分析的是驾驶座安全气囊。图1所示为发生车祸时气囊的发射过程。

1.1 安全气囊均匀压力模型基本理论

当发生车祸时会触发安全气囊，本研究通过分析安全气囊的大小、体积、展开的方向，按照车祸发生的实际情况进行模拟。近年来很多企业都是运用该方法进行模拟分析，该方法能有效地减少开发成本[3-5]。随着计算机技术和有限元技术的发展，各种计算模型被不断地开发出来，主要涉及均匀压力模型和人体损伤的理论[6-7]。

图1 安全气囊发射的过程图

均匀压力模型是最近几年以来运用最多的安全气囊的模拟分析模型，其可以用于分析发生器产生的气体量和气体进入气袋里面的充气方式。气袋的形状变化的数学模型为

式中：P为压力；V为体积；m为气体质量；T为气体温度；R为普适气体常数；ρ为气体密度；e为气体能量。

1.2 人体损伤力学模型

人体有一个承受伤害的限度，如果超过就会对人体表面和器官造成伤害，我们所参考的承受伤害是依据参考文献[1]中公认的两个标准。在发生车祸时会对人体造成极大的伤害，甚至死亡，所以设计安全气囊时要对有可能发生伤害的部位进行伤害测评，这些数据通过整车实验和滑车实验上所安装的假人来进行测评。本实验采用的假人是身高175 cm、体重75 kg的男性假人。评测假人头部损伤程度的HIC值的计算公式[8-9]为

式中：a（t）为实验时假人头部所受伤害的合成加速度；t1和t2是加速度曲线上的两个时间点，这两个点的选取要求必须为加速度曲线的峰值时刻。

另外还使用假人所受到伤害VC值，VC值的计算是根据胸膛壁与胸膛挤压变形率的乘积来表示[10]，即：

式中：D（t）为沿发生车祸惯性的方向躯干的瞬时压缩变形；D（0）为发生车祸前假人的胸部厚度，侧面碰撞时为胸部初始厚度的一半。

2 基于滑台实验的安全气囊参数优化

2.1 不带气囊的基础实验

在滑车实验之前需要进行一次整车实验，这个整车实验是不带安全气囊的，整车实验以后才进行滑车实验。通过第一次整车实验获取基础数据，确定点火时间为20 ms。然后选择立体副驾驶气囊，容积为90 L，排气孔数为2个，排气孔大小为50 mm。通过在大连民族大学方程式赛车实验室所进行的静态点爆实验获得数据为：充满气囊75%的时间是31 ms。通过实车实验录像能看到假人头部相对于前方IP仪表盘距离等于气袋膨胀并变柔软的距离时刻为51 ms，以此分析结果作为参考，确定点火时间应为51-31=20 ms。

第一次滑车实验也不带安全气囊，目的是为了与整车实验所得的伤害值做比较，不带气囊的滑台实验所得结果如表1所示。

第一次滑车实验中，没有安装安全气囊，但是为了保证与整车实验条件一致，安装了安全带。从上面的数据来分析可见，头部伤害值超过了人体所能承受的极限，与第一次整车实验结果相近，因为第一次整车实验时，座椅因为冲击力过大向前滑动了35 mm的距离。

图2 安全气囊滑台试验

表1 不带气囊的基础实验数据

2.2 气囊的优化实验及数据分析

该次实验中，采用控制变量法，在保持不带气囊实验参数相同的情况下进行优化实验，优化实验中需要安装事先设计好的安全气囊。分别在气囊排气孔尺寸为φ50 mm、φ45 mm和φ35 mm时做了3次滑台试验，头部加速度-时间图分别如图4～图6所示。

图3 无安全气囊试验时头部加速度-时间图

图4 带安全气囊第一次试验时头部加速度-时间图

图5 带安全气囊第二次试验时头部加速度-时间图

图6 带安全气囊第三次试验时头部加速度-时间图

3 结果与分析

安全气囊对驾驶员的伤害幅度减小的不是很大，说明人承受的伤害依然很大，从头部合成加速度来进行分析，曲线有明显尖峰，说明在某一时刻伤害很大，换言之就是安全气囊比较软。在实验前对假人头上涂了颜料，在气袋上看到颜料的染色位置正好是气袋中间，说明气囊折叠方法不用改变。从慢镜头来看，实验过程中假人头部接触到仪表板，所以导致头部的伤害值偏高。这是因为泄气太快的缘故导致气囊提前变软，所以决定在不改变气袋类型和折叠方式的情况下，把排气孔尺寸由原来的直径φ50 mm改为直径φ45 mm。

从图5带安全气囊第二次试验时头部加速度-时间图来看，这次实验比上次实验效果（如图4）明显变好，因为没有了曲线的尖峰，但是伤害的降低量仍然没有达到理想的情况，合成加速度脉宽偏小，伤害值仍然偏高，同时还可以看到假人头部在71 ms后位移变化剧烈，并且发现胸部位移量还是偏高，反复对高速摄像资料进行分析，得出的结论是气囊硬度偏软。改进方案是把气孔再度减小，把此前的直径φ45 mm气孔改为直径φ35 mm。从图6带安全气囊第三次试验时头部加速度-时间图来看，不仅没有曲线的尖峰，而且最大值下降到φ50 mm左右。所以决定在座椅位置不变和安全带能正常工作的情况下，选取实验数据最为理想的安全气囊排气孔大小为φ35 mm。

4 结 语

为了对安全气囊排气孔尺寸进行优化，进行了3次带安全气囊的滑台试验，通过对比3次优化试验的假人头部损伤的HIC值，确定排气孔直径φ35 mm的安全气囊是能够满足标准规定损伤极限的最优参数。