基于摆锤试验的安全气囊优化

选用排气孔直径为 40mm 的气囊袋，试 验结果显示在预设的撞击速度下，人偶与气 囊在 110ms 的延时后开始接触，接触后由于 气袋充饱后发生振荡而跟随人偶回摆，使得 在 110ms 到 175ms 之间气囊没有起到吸能的 效果。在 175ms 到 185ms 之间，气囊由于泄 气孔的直径过大或者充气器峰值压力过小， 导致气体快速泄完，使得在 185ms 时刻之后， 人偶与气囊框架发生了硬性接触。选用泄气 孔直径为 35mm 的气囊进行试验。泄气孔直 径为 35mm 的试验结果显示，在相同撞击速 度下，在 110ms 到 170ms 之间，气囊的吸能 效果比较理想，但是加速度峰值仍然过大， 人偶承受的冲击也会比较大。将拉带长度改 为 475mm，在 110ms 到 180ms 之间，气囊的 吸能效果比较理想，且加速度峰值也相对降 低，人偶承受的冲击也相对减缓。通过 4 次 试验比对分析，优化泄气孔直径、拉带长度， 能很好地提升气囊的吸能效果。
拉带长度：450mm
充气器压力：190MPa
-10
a/(m*s2)
接触时刻速度：5.5m/s
泄气孔直径：40mm
50
拉带长度：475mm
充气器压力：190MPa
-10
-70
-70
-130 0
-130
50
100
150
200
250
0
t/ms
50
100
150
200
250
t/ms
a/(m*s2)
30
接触时刻速度：5.5m/s
定加速度传感器基座。对于控制系统而言， 需要运用控制系统与软件匹配进行循环检查 与确认。摆锤模型简化的本体结构与控制流 程如下图 1 所示。
2.2 试验气囊的定位 可以根据气囊开发的需要，自由调整气 囊展开与假人接触的平面与竖直方向的夹角 来模拟实际碰撞时真人与气囊的接触情况。
根据本次开发的需要，考虑到人偶与气囊的接 触为硬性接触，且气囊展开时会与人偶表面有 相对滑移，设置的接触面与竖直方向的夹角为 0°。人偶的质心位置与方向盘下边缘保持水 平。在气囊未展开之前，人偶胸部与方向盘安 装的模组表面预留一个气囊充饱的厚度。
MANUFACTURING AND PROCESS | 制造与工艺
基于摆锤试验的安全气囊优化
孙宇 饶思贤 高成舟 安徽工业大学机械工程学院 安徽省马鞍山市 243000
摘 要：随 着世界汽车保有量的增多，交通事故发生率越来越高，汽车的被动安全性已引起了人们的广泛的重视。 汽车安全气囊在前期的开发过程中需要进行多次台车、实车的碰撞试验，试验成本较高。为了减少后 期优化的部分参数，通过摆锤试验优化后再进行台车、实车模拟试验，也大大降低了开发成本。
2 摆锤试验方法
2.1 摆锤模型的搭建 为整车约束系统开发，需要在碰撞前期 定义零部件性能参数，以确保碰撞能量可以 被合理的分配于各零部件上，减少成员受伤 机率，故须充分了解气囊模块的物理特性， 并以摆锤试验机作为物理实验，摆锤试验所 获得的物理数据做出分析。摆锤模型就是利 用能量守恒的物理公式而搭建的物理试验装 置。总体结构配置有工装、检测系统、位移 系统、电气控制系统、安全系统。采用工装 定位零件，采用导轨移动治具板，采用高速 相机记录爆破的过程，采用加速度传感器测 量摆锤下落的速度。采用治具定位气囊以保 证气囊的精准定位，采用加速度传感器检测 摆锤下落的速度。对摆锤系统而言，需要定 义摆臂等效质量，通过摆臂高度定义撞击速 度，定义摆臂的长度，对质心位置设计可固
3 安全气囊的摆锤试验优化
3.1 优化试验方法 在摆锤试验中，利用传感器以及数据采 集系统采集撞击加速度指标，高速相机在多 角度对试验过程进行影像记录。记录的影像 能够详细地再现摆锤与气囊的撞击过程，观 察气囊的运动状态、气囊的破壳露白时间、 气囊的全充饱时间、胸部与气囊接触时刻、 通过撞击加速度曲线进行综合分析，对泄气 孔的大小、拉带的长短进行修改 [3]。如此往复， 直到气囊达到最佳的吸能效果。 3.2 优化试验分析 摆锤优化试验在气囊展开表面与竖直方 向成 0°角、摆锤与气囊表面刚好接触时速 度为 5.5m/s、充气器压力为 190 MPa 的情 况下进行了 4 次试验，试验的参数如下表 1 所示。
表1 试验的参数
接触时刻速度 (m/s) 5.5 5.5 5.5 5.5
泄气孔直径（mm） 45 450 475
充气器压力（MPa） 190 190 190 190
图3 摆锤撞击加速度曲线图
a/(m*s2)
接触时刻速度：5.5m/s
50
泄气孔直径：40mm
关键词：摆锤试验；安全气囊；优化
1 引言
汽车安全气囊的开发需要对气囊参数进 行优化，虽然仿真在一定程度上缩减了试验 数量，减少了前期开发的成本，加快了开发 周期，但是大量的静态展开试验、台车试验、 实车碰撞试验仍然是必不可少的 [1]。为了尽 可能的在静态展开试验后，减少台车试验、 实车碰撞试验的次数，通过摆锤试验将部分 参数提前优化，减少之后的试验费用 [2]。通 过多次摆锤试验的比对分析，对充气器的型 号、气袋的拉带长度、气袋的排气孔直径提 前做一个初步的优化。
气囊与竖直方向成不同角度的定位如下 图 2 所示。
图1 摆锤模型简化的本体结构图与控制流程图
Acceleration sensor
dummy
airbag
60 度
120 度 4232.44
1532.44 mgh=1/2mv^2
开始 机构开关调制 ON
锁止杆伸出 摆臂举升 锁止开关关闭 摆臂下落点火触发 加速度采集 测试结束
图2 气囊与竖直方向成不同角度的定位图
0°
66 AUTO TIME
MANUFACTURING AND PROCESS | 制造与工艺
时代汽车
2.3 高速相机及数据采集系统设置 高速相机、传感器、数据采集系统是摆 锤试验的数据测量与分析的重要工具。高速 相机：对摆锤撞击过程进行记录，以便于后 期观察分析，架设高速相机两台。传感器： 我们得到的所有数据都是通过传感器得到， 摆锤试验所用的传感器有安装在人偶头部的 单轴传感器，有安装在质心位置的三轴传感 器，这两个传感器采集撞击加速度数据。还 有位于摆臂一侧的两个光电传感器，一者为 触发点火信号，一者为采集人偶与气囊刚好 接触时刻的速度。数据采集系统：采集系统 的精度高，得到的数据误差小，试验更准确， 测量设备定期校准，操作设备的工程技术人 员要技术精湛且经验丰富。本次试验采用松 下 GX 系列高速相机、三菱 PLC 编程的数据 采集系统。
泄气孔直径：35mm
15
拉带长度：450mm 充气器压力：190MPa
0
a/(m*s2)
20 接触时刻速度：5.5m/s 泄气孔直径：35mm
10 拉带长度：475mm 充气器压力：190MPa
0
-15
-10
-30 0
-20
50
100
150
200
250
0
40
80
120
160
200
t/ms
t/ms
4 次试验的加速度曲线图如下图 3 所示。