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安全气囊起爆模拟试验研究

文档作者：白中浩龙瑶王玉龙白芳华文档来源： 1．湖南大学 2．广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院		点击数：	更新时间： 2021年05月08日
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2014年(第36卷)第12期
汽车工程
Automotive Engineering
安全气囊起爆模拟试验研究术
白中浩 ，龙
(1．湖南大学，汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙
2014275
瑶 ，王玉龙 ，白芳华
410082； 2．广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广州511434)
[摘要] 为设计与验证不同安全气囊的基本形状、拉带形式与位置和泄气孔尺寸与位置等参数，分析不同的
气体发生器作用下的气囊展开性能，开发和构建了一种基于压缩空气的安全气囊起爆模拟试验装置，并通过两种不
同类型气体发生器标定试验和安全气囊起爆模拟试验进行验证。最后针对试验中发现的温度降低、初始压力不为
零和水雾析出问题，进行了系统理论分析和计算，并提出了解决方案。
关键词：安全气囊；起爆模拟；试验研究 。
An Experimental Study on the Firing Simulation of Safety Airbag
Bai Zhonghao ，Long Yao ，W ang Yulong &amp;amp; Bai Fanghua
1．Hunan University，State Key Laboratory ofAdvanced Design and Manufacturefor Vehicle Boay，Changsha 410082；
2．Automotive Engineering Institute，Guangzhou Automobile Group Company Limited，Guangzhou 51 1434
[Abstract] For designing and validating the parameters such as basic shapes，the form and position of ten—
sile belt，and the size and position of vent hole of different safety airbags，and analyzing the deployment performance
of airbag with different gas generators，an airbag firing simulation test device based on compressed air is developed
and built，which is then verified by the calibration tests and airbag firing simulation tests with two different types of
gas generator．In the end，the solutions for the problems of temperature fall，non—zero initial pressure and water e—
duction found in tests are given based on systemic theoretical analysis and calculation．
Keywords：safety airbag；firing simulation；experimental study
日IJ舌
安全气囊是一种配合安全带使用的辅助乘员安
全保护设备，能够在汽车发生碰撞时有效保护车内
乘员¨J。在安全气囊的研发过程中，安全气囊及其
相关部件的研究通常需要做大量的气囊展开试验，
或研究气囊形状、拉带形式、折叠方式和排气孔尺寸
与位置，或测试气囊的起爆强度、饰盖的性能等，所
有这些试验都与气体发生器相关，须投人大量的气
体发生器来进行消耗性试验。而气体发生器属于一
次性产品，不能重复使用，这些试验无疑加大研发成
本，因此，开发一种能够以较低成本替代气体发生器
进行试验的气囊起爆模拟试验装置就显得非常
必要。
目前国内外对替代气体发生器进行气囊起爆试
验的方法进行了一些研究，同时也开发出相应的试
验装置 J，对安全气囊起爆模拟试验方法进行了
有益的探索，但所开发的相关试验装置仍存在如下
不足：(1)试验装置能够达到的工作压力不足，释放
装置执行速度慢，气体释放速度或释放量难以达到
气囊起爆模拟要求；(2)试验装置可调参数少，能够
输出的压力一时间(P—t)曲线范围窄；(3)试验装置
结构复杂，价格昂贵，难以大范围推广使用。
为此，本文中基于气囊试验准则，提出了一种采
用压缩空气、单储气罐配合两套标定容器的成本低、
重复性好、精度高且压力一时间(P—t)曲线可调范围
宽的安全气囊起爆模拟试验装置。
国家自然科学基金(51475153)和中央高校基本科研业务费专项资金项目(531107040572)资助。
原稿收到日期为2012年7月23日，修改稿收到日期为2013年2月23日。
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白中浩，等：安全气囊起爆模拟试验研究 ·1485·
超高压、洁净、冷却压缩气体的空压机作为气源，同
时使用特制的大通径、高速高压电磁阀作为压缩气
体的释放装置。
安全气囊展开装置的结构如图2所示，包含装
置安装固定架，上台面通过两个支撑支架和抱箍固
定储气罐，储气罐通过进气管路元件与下部的空压
机连接。
1一机架2—进气管路元件3—气压传感器4—储气罐
5一电磁阀6—气体流量控制装置7一空压机
图2 安全气囊展开装置
空压机通过三级压缩可以将气体最高压缩至压
力20MPa，且输出的压缩气体经过过滤和冷却，可以
直接通过进气管路元件充入储气罐。进气管路元件
能够保证充气时气流的稳定和试验装置的安全，储
气罐上安装的气压传感器能够精确地读出储气罐内
压缩气体的压力。
储气罐连接高压电磁阀，该常闭高压电磁阀是
利用电磁力直接打开副阀，通过介质压力差打开主
阀的间接两次开阀式单阀瓣截止阀。可在测控系统
的控制下迅速执行打开的动作，将储气罐内的压缩
气体快速释放。释放的压缩气体最终经过安装在放
气管上的法兰式气体流速与方向控制装置快速流
出，或充入标定装置进行p-t曲线标定，或充入折叠
好的安全气囊将其迅速展开。
2．2 标定装置和测控系统设计
安全气囊起爆模拟试验装置替代气体发生器进
行试验，首先需要复制气体发生器Tank试验的p-t
曲线，因此根据法规要求设计了标定装置来对展开
装置输出的p-t曲线进行标定。
SAE J2238-2001中对于驾驶员安全气囊气体
发生器进行Tank试验密闭容器的容积规定为(28．3
±0．28)L或(60+0．60)L；对于前排乘员安全气囊规
定为(60+0．60)L、(100±1．0)L或(146±1．5)L；对
于侧碰撞气囊、翻滚气囊和膝部气囊等规定为(28．3
±0．28)L。该规范虽然对密闭容器的容积进行了明
确规定，但是对其具体形状却没有做出统一规定。
根据上述分析，所设计的安全气囊起爆模拟标
定装置包括容积为60和28．3L两种规格的密闭容
器，采用两端平接头的结构，如图1所示，可以进行
驾驶员侧和副驾驶员侧安全气囊气体发生器Tank
试验的P—t曲线复制。60L标定密闭容器内径为
325mm，长度为723mm，28．3L标定容器内径也为
325mm，长度为342mm。在标定容器 端进气口的
近端和远端都装有气压传感器，以避免充气口附近
压力较大的误差。容器下部装有排气阀，能够排出
容器内部残余气体和积水。
该试验装置属于高压系统，在试验过程中须实
现对高压电磁阀和空压机进行控制，同时实时分析
并采集储气罐气体压力、起爆瞬间气体压力和温度
等信号，因此开发了基于虚拟仪器技术LabVIEW 平
台的测控系统。
试验装置澳4控系统的硬件安装在控制台中，包
括多功能数据采集卡、控制电路板和接口板卡等部
件。当空压机向储气罐充气时，气压传感器实时采
集罐内压力，并将此压力值和设定值进行比较，当储
气罐内压力达到设定值时，计算机通过DO电路关
闭空压机。在展开装置向标定装置充气进行p-t曲
线标定时，也须通过气压传感器实时采集并分析密
闭容器内气体的压力信号。采用LabVIEW 中条件
结构的嵌套来实现对储气罐内气体压力的实时检
测，同时控制采集卡的DO输出以控制空压机和电
磁阀的相应动作。通过While循环实现对气压信号
的连续采集，使用For循环结构将采集到的电压信
号换算成压力和对应的时刻值，然后进行实时显示
和数据保存。
3 气囊验证试验和问题讨论
为验证开发的试验装置的快速性和准确性，须进
行气囊起爆模拟试验，并将试验装置展开气囊的过程
与由实际气体发生器展开气囊的过程进行对比。
3．1 气体发生器P—t曲线复制
根据需要复制的安全气囊型号，将展开装置存
储压缩空气的储气罐通过软管与相应体积的标定装
置密闭容器连接，通过流体仿真与试验结合调节展
开装置中储气罐内的初始充气压力，获得理想的标
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于安全气囊及其相关部件的研究与开发。
3．3 冷气体起爆模拟试验问题讨论
上述标定试验和基于冷气体的安全气囊起爆模
拟试验存在3个问题需要探讨：(1)如图3所示，复
制气体发生器的P—t曲线时，标定输出压力曲线初
始值不为零；(2)常温压缩气体高速释放过程中温
度急剧降低；(3)常温压缩气体高速释放过程中有
水雾产生。本项目组分析并提出如下解决方案。
问题1主要是由于高压电磁阀的工作原理造成
的。本装置选用的高压电磁阀为主副两级常闭截止
阀，当接收到电信号后，电磁线圈接通产生磁场，在
电磁力作用下动铁芯移动，带动密封件克服弹簧力
使其与阀座分离，副阀打开。阀杯上腔高压气体通
过副阀流向阀门出口，由于阀杯上腔气体进口通道
很小，气体流人缓慢，一段时间后，阀杯上腔的气体
压力不断下降，当阀杯上腔气体压力和下腔气体压
力差达到定值时，压力差把阀杯向上托起，主阀打
开，阀门开启。因此，在阀门开启前，已有部分气体
流向出口，因此造成初始压力不为零的情况。该问
题可以通过采用直动式高压电磁阀来解决，但该类
超高压力型电磁阀价格较高。
问题2的产生机理是储气罐快速对气袋充气，
直至气袋完全展开的整个过程约为20～40ms，且均
在室温下进行，如果将该过程视为一个绝热过
程 ，则有
㈩
式中：r， 和 分别为初、终状态热力学温度，K；P
和P：分别为初、终状态气体压力，Pa；，c为绝热指数
或定熵指数，取定值1．4。因此，可以计算出，初始
温度293K、初始压力为8MPa时，复制0．22MPa压
力曲线时，终了状态的温度为104．9K。
因此，造成常温的压缩空气在高速释放过程中
明显的温度降低现象。该问题可以通过提高储气罐
内的气体温度来缓解，如在储气罐表面缠绕电阻丝
来对内部气体加热。若使释放的气体达到室温
293K，需要的热量Q 可以通过热力学第一定律
计算：
／D， D． 、
Q=RsT1(m,1-m~2)=RsT1【菇一 J
(2)
式中：R 为空气的气体常数，287．0J／(kg·K)；m
和m 分别为初、终状态气体质量，kg；VI和 分别
为初、终状态气体体积，in 。
问题3的产生机理是实验室的空气相对湿度
约为60％ 一70％ ，由于空气压缩前后，水蒸气
的质量不变，因此压缩后相对湿度 为
，
： ×
p p
(3)
式中：p和p 分别为空气压缩前后的绝对压力，kPa；
P 和Pb'分别为空气压缩前后的饱和水蒸气分压力，
kPa。
由式(3)可知，当 =60％ ，若p ／p>1．67时，则
有 >1(相同温度下)，即水蒸气达到饱和，有水滴
析出。同时，根据文献[12]可以看出，随着温度的
降低，饱和水蒸气的密度降低，水更容易析出。为
此，可以通过对压缩空气进行干燥，降低初始水蒸气
密度来控制水雾的产生。
4 结束语
安全气囊的应用对于提高汽车安全性，降低乘
员损伤起到了显著的促进作用。开发能够对不同人
体部位进行保护的安全气囊，是其研究的关键，最佳
的气囊结构配合最佳的气体压力曲线，将是降低和
避免人体损伤的核心技术。
根据国内外相关法规并采用冷气体压缩的安全
气囊起爆模拟试验方法，开发了安全气囊起爆模拟
试验装置，并进行了复制气体发生器p-t曲线标定
实验和气囊起爆模拟试验。对试验中遇到的水雾和
冷凝问题进行初步的分析和探讨。该研究工作是开
发安全气囊的基础技术，希望能够对我国汽车安全
技术的提高起到借鉴和促进作用。
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