孫宇　饒思賢　高成舟

摘 要：隨著世界汽車保有量的增多，交通事故發(fā)生率越來越高，汽車的被動安全性已引起了人們的廣泛的重視。汽車安全氣囊在前期的開發(fā)過程中需要進(jìn)行多次臺車、實(shí)車的碰撞試驗(yàn)，試驗(yàn)成本較高。為了減少后期優(yōu)化的部分參數(shù)，通過擺錘試驗(yàn)優(yōu)化后再進(jìn)行臺車、實(shí)車模擬試驗(yàn)，也大大降低了開發(fā)成本。

關(guān)鍵詞：擺錘試驗(yàn);安全氣囊;優(yōu)化

1 引言

汽車安全氣囊的開發(fā)需要對氣囊參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，雖然仿真在一定程度上縮減了試驗(yàn)數(shù)量，減少了前期開發(fā)的成本，加快了開發(fā)周期，但是大量的靜態(tài)展開試驗(yàn)、臺車試驗(yàn)、實(shí)車碰撞試驗(yàn)仍然是必不可少的[1]。為了盡可能的在靜態(tài)展開試驗(yàn)后，減少臺車試驗(yàn)、實(shí)車碰撞試驗(yàn)的次數(shù)，通過擺錘試驗(yàn)將部分參數(shù)提前優(yōu)化，減少之后的試驗(yàn)費(fèi)用[2]。通過多次擺錘試驗(yàn)的比對分析，對充氣器的型號、氣袋的拉帶長度、氣袋的排氣孔直徑提前做一個初步的優(yōu)化。

2 擺錘試驗(yàn)方法

2.1 擺錘模型的搭建

為整車約束系統(tǒng)開發(fā)，需要在碰撞前期定義零部件性能參數(shù)，以確保碰撞能量可以被合理的分配于各零部件上，減少成員受傷機(jī)率，故須充分了解氣囊模塊的物理特性，并以擺錘試驗(yàn)機(jī)作為物理實(shí)驗(yàn)，擺錘試驗(yàn)所獲得的物理數(shù)據(jù)做出分析。擺錘模型就是利用能量守恒的物理公式而搭建的物理試驗(yàn)裝置。總體結(jié)構(gòu)配置有工裝、檢測系統(tǒng)、位移系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、安全系統(tǒng)。采用工裝定位零件，采用導(dǎo)軌移動治具板，采用高速相機(jī)記錄爆破的過程，采用加速度傳感器測量擺錘下落的速度。采用治具定位氣囊以保證氣囊的精準(zhǔn)定位，采用加速度傳感器檢測擺錘下落的速度。對擺錘系統(tǒng)而言，需要定義擺臂等效質(zhì)量，通過擺臂高度定義撞擊速度，定義擺臂的長度，對質(zhì)心位置設(shè)計(jì)可固定加速度傳感器基座。對于控制系統(tǒng)而言，需要運(yùn)用控制系統(tǒng)與軟件匹配進(jìn)行循環(huán)檢查與確認(rèn)。擺錘模型簡化的本體結(jié)構(gòu)與控制流程如下圖1所示。

2.2 試驗(yàn)氣囊的定位

可以根據(jù)氣囊開發(fā)的需要，自由調(diào)整氣囊展開與假人接觸的平面與豎直方向的夾角來模擬實(shí)際碰撞時真人與氣囊的接觸情況。根據(jù)本次開發(fā)的需要，考慮到人偶與氣囊的接觸為硬性接觸，且氣囊展開時會與人偶表面有相對滑移，設(shè)置的接觸面與豎直方向的夾角為0°。人偶的質(zhì)心位置與方向盤下邊緣保持水平。在氣囊未展開之前，人偶胸部與方向盤安裝的模組表面預(yù)留一個氣囊充飽的厚度。

氣囊與豎直方向成不同角度的定位如下圖2所示。

2.3 高速相機(jī)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)置

高速相機(jī)、傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是擺錘試驗(yàn)的數(shù)據(jù)測量與分析的重要工具。高速相機(jī)：對擺錘撞擊過程進(jìn)行記錄，以便于后期觀察分析，架設(shè)高速相機(jī)兩臺。傳感器：我們得到的所有數(shù)據(jù)都是通過傳感器得到，擺錘試驗(yàn)所用的傳感器有安裝在人偶頭部的單軸傳感器，有安裝在質(zhì)心位置的三軸傳感器，這兩個傳感器采集撞擊加速度數(shù)據(jù)。還有位于擺臂一側(cè)的兩個光電傳感器，一者為觸發(fā)點(diǎn)火信號，一者為采集人偶與氣囊剛好接觸時刻的速度。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：采集系統(tǒng)的精度高，得到的數(shù)據(jù)誤差小，試驗(yàn)更準(zhǔn)確，測量設(shè)備定期校準(zhǔn)，操作設(shè)備的工程技術(shù)人員要技術(shù)精湛且經(jīng)驗(yàn)豐富。本次試驗(yàn)采用松下GX系列高速相機(jī)、三菱PLC編程的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

3 安全氣囊的擺錘試驗(yàn)優(yōu)化

3.1 優(yōu)化試驗(yàn)方法

在擺錘試驗(yàn)中，利用傳感器以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集撞擊加速度指標(biāo)，高速相機(jī)在多角度對試驗(yàn)過程進(jìn)行影像記錄。記錄的影像能夠詳細(xì)地再現(xiàn)擺錘與氣囊的撞擊過程，觀察氣囊的運(yùn)動狀態(tài)、氣囊的破殼露白時間、氣囊的全充飽時間、胸部與氣囊接觸時刻、通過撞擊加速度曲線進(jìn)行綜合分析，對泄氣孔的大小、拉帶的長短進(jìn)行修改[3]。如此往復(fù)，直到氣囊達(dá)到最佳的吸能效果。

3.2 優(yōu)化試驗(yàn)分析

擺錘優(yōu)化試驗(yàn)在氣囊展開表面與豎直方向成0°角、擺錘與氣囊表面剛好接觸時速度為5.5m/s、充氣器壓力為190 MPa的情況下進(jìn)行了4次試驗(yàn)，試驗(yàn)的參數(shù)如下表1所示。

4次試驗(yàn)的加速度曲線圖如下圖3所示。

選用排氣孔直徑為40mm的氣囊袋，試驗(yàn)結(jié)果顯示在預(yù)設(shè)的撞擊速度下，人偶與氣囊在110ms的延時后開始接觸，接觸后由于氣袋充飽后發(fā)生振蕩而跟隨人偶回?cái)[，使得在110ms到175ms之間氣囊沒有起到吸能的效果。在175ms到185ms之間，氣囊由于泄氣孔的直徑過大或者充氣器峰值壓力過小，導(dǎo)致氣體快速泄完，使得在185ms時刻之后，人偶與氣囊框架發(fā)生了硬性接觸。選用泄氣孔直徑為35mm的氣囊進(jìn)行試驗(yàn)。泄氣孔直徑為35mm的試驗(yàn)結(jié)果顯示，在相同撞擊速度下，在110ms到170ms之間，氣囊的吸能效果比較理想，但是加速度峰值仍然過大，人偶承受的沖擊也會比較大。將拉帶長度改為475mm，在110ms到180ms之間，氣囊的吸能效果比較理想，且加速度峰值也相對降低，人偶承受的沖擊也相對減緩。通過4次試驗(yàn)比對分析，優(yōu)化泄氣孔直徑、拉帶長度，能很好地提升氣囊的吸能效果。

4 總結(jié)

通過建立搭建擺錘試驗(yàn)，利用數(shù)據(jù)分析及影像分析，通過修改泄氣孔直徑、拉帶長度參數(shù)對駕駛室安全氣囊進(jìn)行優(yōu)化分析，提高氣囊的吸能效果、保護(hù)作用。并且一定程度上縮減了試驗(yàn)數(shù)量，減少了前期開發(fā)的成本，加快了開發(fā)周期。

參考文獻(xiàn)：

[1]田玉耕.基于臺車試驗(yàn)的汽車安全氣囊優(yōu)化[J].農(nóng)機(jī)使用與維修，2009（6）：28-30.

[2]王清，段敏.基于臺車試驗(yàn)的汽車安全氣囊參數(shù)優(yōu)化[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2017（22）：108-109.

[3]白中浩，龍瑤，王玉龍.安全氣囊起爆模擬試驗(yàn)研究[J].汽車工程，2014（12）：1483-1487.