仪表板气囊点爆失败原因分析及优化

耿辉斌,赵海英,曹慧林,张晶,杨现伟,李彩凤

(北京汽车集团越野车有限公司，北京 101300)

0 引言

仪表板系统承载了组合仪表、各类控制开关、乘员侧安全气囊、饰条、手套箱、杂物盒、出风口、风道、CCB等零件，仪表板点爆性能受零件材料选择、结构设计、焊接工艺、弱化工艺参数等因素影响，引起试验失败原因较多，通常试验经过多次调整才能通过，本文作者根据试验过程中遇到的问题，分析了当前车型的问题原因及其他注意事项。

1 仪表板的构成及工艺说明

仪表板构成如图1所示，主要由仪表板上本体、仪表板下本体、乘员侧气囊框等数十个零件构成。影响乘员侧气囊点爆的主要零件有仪表板上本体和气囊框,本车型仪表板上本体、气囊框注塑成型、振动摩擦焊接、激光弱化。主要零件工艺及材料见表1。

图1 仪表板构成

图2 气囊点爆区域主要零件

表1 主要零件工艺及材料

(1)注塑成型。仪表板本体和气囊框分别注塑成型。

(2)激光弱化。注塑完成的仪表板本体进行激光弱化，弱化残余厚度 (0.25±0.1)mm。

(3)摩擦焊接。弱化后的仪表板本体与乘员侧气囊框摩擦焊接[1],仪表板本体总成制作完成。

2 仪表板点爆试验要求

仪表板包括周边环境件按装车状态装配到白车身上，受环境仓尺寸限制，白车身后半部分切割，试验前应至少将试验样件装配后在环境舱放置4 h；仪表板点爆试验分低温、高温及常温3种试验条件，具体试验条件及要求见表2。

因材料在高温及低温条件下特性有所改变，因此高温和低温点爆比较容易出问题，常温下一般问题较少，试验时先开展高温和低温，最后进行常温试验。

3 问题原因分析及对策

在低温气囊点爆试验过程出现手套箱打开，副驾把手装饰条弹出，仪表板本体硬质碎片飞出，气囊盖板铰链断裂飞出4个问题，导致试验失败，下面将详细描述问题现象、原因分析及优化方案。

3.1 手套箱打开

气囊点爆过程中，手套箱两侧锁销脱出，手套箱打开。仪表板本体受到气囊冲击力的作用产生变形，当变形量大于锁钩锁止量的情况下手套箱才会打开。首先排查手套箱锁销与衬套过盈量是否符合设计要求，经测量，手套箱过盈量为10 mm，满足至少8 mm的要求，此原因排除。再对手套箱周边安装结构排除，发现周边结构强度偏弱，容易变形,对其进行结构设计优化,如图3所示，对手套箱框进行结构优化及安装点增加,CAE分析刚性提升明显。

图3 手套箱优化方案

后续设计项目开发过程中，应注意锁销周围的结构设计，在锁销周围布置安装点，减少气囊点爆过程手套箱变形。

3.2 乘员侧饰条弹出

副驾把手装饰条距离气囊爆破区域较近，在点爆力的冲击下，从仪表板安装位置弹出，对成员造成伤害，导致试验不合格。对失效样件进行分析，发现主要原因是饰条卡扣固定力偏小导致，从以下几个方面排查：

(1)零件尺寸超差，仪表板安装孔尺寸偏大，超出公差范围，导致安装在其上的零件固定力偏小，对对手件开孔进行检测，检具通止规都能插入孔内，安装孔尺寸合格。

(2)卡扣固定数量少，或者选择的卡扣拔出力偏小，导致安装后固定力不足，点爆后飞出；位于气囊点爆附件的零件，对失效零件进行排查发现饰条采用自身卡扣固定，如图4断面A-A所示，卡扣悬臂较长，装配后卡扣悬臂向外侧变形，导致卡接量变小，卡接力不足，对卡扣悬臂内侧增加加强筋，避免装配后变形。

图4 卡扣优化方案

对于乘员气囊附近的零件，设计时应注意结构设计，选择合理的连接结构，根据卡接力大小排序，通常金属卡扣最大，其次是塑料卡扣，最小的是零件自身注塑卡扣，设计时根据零件尺寸大小，选择合理的安装卡扣。此外，为防止饰条点爆过程飞出伤人，在结构设计时可以设计防脱结构，具体形式如图5所示，在饰条脱出时，防脱挂钩会卡住饰条，防止飞出，这样不需要设计太大的卡接力，也能防止零件脱出，解决了卡接力大拆解不方便问题。

图5 防脱结构示意

3.3 仪表板本体硬质碎片飞出

3.3.1 气囊框侧面硬质飞溅物飞出

点爆过程仪表板气囊盖板两侧仪表板本体断裂，有尖锐飞溅物飞出[2]；如图6所示，对收集的飞溅物分析发现，侧面断裂位置与设计弱化轨迹偏离，气囊盖板未按弱化轨迹展开，下面对可能造成飞溅的原因进行逐项排查。

图6 气囊框侧面飞溅物

(1)气囊框焊接位置排查，气囊框焊接后位置与设计位置偏差±1 mm，焊接位置偏离设计位置太大，会引起气囊盖板撕裂位置偏离设计位置，气囊框设计时应注意设计焊接定位结构,同时在仪表板模具上刻线,标出理论偏差值，如图7所示，焊接后测量偏离值。通过对试验样件测量，气囊框焊接位置偏离小于0.8 mm,符合要求。

图7 气囊框测量基准

(2)残余厚度排查[3]，设计弱化残余 (0.25±0.1)mm，对失效样件弱化残余厚度测量，残余厚度0.45～0.62 mm，不符合要求，另外一套试验样件为发生飞溅，测量弱化残余厚度0.19～0.22 mm,两台激光弱化参数一致，残余厚度测量不一致，后对零件生产追溯，厚度较厚的一套试验样件是注塑后 2 h弱化的，没问题的样件是注塑2 d后弱化的，不是同一批次，对零件尺寸对比发现，刚注塑的仪表板本体，因未完全冷却，应力为完全释放等原因，零件壁厚，型面与理论尺寸存在偏差，造成相同弱化参数，残余厚度差异，对放置不同时间的样件进行激光弱化，测量残余厚度值，测量值与放置时间的关系如图8所示，放置24 h后区域稳定，弱化残余厚度符合设计要求。

图8 残余厚度与放置时间关系

对后续激光弱化工序增加规定，续激光弱化前仪表板应注塑完成至少放置24 h，确保零件应力完全释放。气囊盖板区域仪表板本体厚度做关键特征控制，厚度控制在±0.1 mm以内，以确保弱化残余厚度符合要求；此区域模具设计时注意，避免设计滑块结构因配模匹配不良导致厚度超差，影响弱化结果。

3.3.2 气囊盖板焊接区域部分本体飞出

仪表板与气囊框焊接区域部分仪表板飞出，初步考虑焊接强度不足导致，对焊接熔深尺寸测量，两侧焊接筋熔化0.5 mm，中间焊接筋熔化0.9 mm，摩擦焊接熔深设计值(1±0.3)mm，两侧焊接熔深不符合要求。对此区域气囊框焊接筋高度测量，两侧高度2.1 mm,偏离理论设计值(2.5±0.1)mm,模具加工不到位导致，修改模具，把焊接筋高度调整到理论值，如图9所示。

图9 气囊盖板焊接熔深检查示意

引起焊接强度不足的原因通常还有焊接胎具不平整，焊接过程受到的压力不均匀、焊接压力小、焊接筋宽度窄或者焊筋布置数量不足，焊接面积不足等，在开发过程应注意。同时结构设计时应注意对于无法焊接压头的位置，如图10所示，DOGHOUSE背面区域应避免布置焊接筋，避免此区域焊筋压力小，不熔融，降低周边焊接筋焊接强度。

图10 气囊框焊接筋布置说明

3.3.3 气囊盖铰链断裂飞出

在低温点爆过程中，出现一例气囊盖板铰链断裂，如图11所示，从断裂效果来看，铰链根部完全断裂，初步分析是铰链强度不足导致。对铰链区域参数测量，断裂区域铰链厚度小于理论值2.5 mm，具体测量值见表3，需对模具进行烧焊，调整到理论值。

图11 气囊框焊接筋布置说明

表3 铰链参数测量

铰链尺寸是影响气囊点爆的关键尺寸，经常因试验失败需要调整，在模具设计时此处注意设计镶块，方便修改，避免因尺寸调整造成模具报废。

4 方案验证

对整改后的零件进行试验验证，如图12所示，手套箱未开启，副驾把手装饰条未发生弹出，无尖锐飞溅物，气囊盖板铰链未发生断裂，试验合格。

图12 试验后仪表板

5 结束语

仪表板点爆试验涉及零件装配、结构设计、焊接工艺、注塑工艺、弱化工艺等，涉及面广，问题原因复杂，在开发过程中应统筹考虑。文中针对气囊点爆过程出现的问题，对于可能的原因逐项排查，最终找到问题原因，并对其他可能的原因、注意事项给出设计建议，希望对其他车型开发提供借鉴意义，提高试验成功率，降低开发费用，缩短开发周期。