楊欣霖，盧文明，蔣智鵬

(中汽研汽車檢驗中心(天津)有限公司，天津 300000)

0 引言

在汽車碰撞安全性能開發(fā)中，安全氣囊作為主要的乘員安全保護約束系統(tǒng)零部件，在汽車發(fā)生碰撞時對車內乘員安全保護方面起著舉足輕重的作用。氣囊點爆后的展開特性直接影響著乘員的頭、胸傷害指標[1]。因此，對安全氣囊進行匹配、研究安全氣囊展開后的各項性能，是各大汽車生產廠商對汽車安全氣囊開發(fā)的關注重點，也是氣囊供應商的主要工作之一。側面氣囊(SAB)主要集成在座椅背靠近車門一側的側面，在碰撞發(fā)生時從側面向前方展開形成緩沖。根據(jù)保護部位不同主要分為保護乘員胸部的胸部氣囊，兼顧乘員胸部、腹部、髖部保護的胸臀一體式氣囊和兼顧乘員胸部、頭部保護的頭胸一體式氣囊[2]。側氣囊靜態(tài)展開性能研究是側氣囊開發(fā)過程中關注重點之一。側氣囊靜態(tài)展開試驗是側氣囊靜態(tài)展開性能研究的有效途徑。

1 側面安全氣囊(SAB)靜態(tài)展開試驗分析

1.1 側面安全氣囊(SAB)靜態(tài)展開試驗標準分析

在GB/T 19949.2—2005的第6條中指出，對性能試驗中的靜態(tài)展開試驗要記錄氣袋的充氣時間及氣袋罩蓋開始打開的時間，或進行高速攝影。要求：在靜態(tài)展開試驗過程中或之后，不能有任何氣囊模塊碎片打到一個正常坐姿的乘員身上，在靜態(tài)展開試驗中，與正常坐姿的乘員相接觸的氣袋表面部分不能破裂或燃燒，其他部分允許有直徑小于3 mm的破裂小洞。氣袋撕裂縫處應該保持完好無損。經處置的及未處置的氣囊模塊的充氣時間應在所定義的誤差范圍內(具體誤差大小由氣囊類型決定)[3]。

側氣囊(SAB)靜態(tài)展開試驗一般分為常溫靜態(tài)展開、高溫靜態(tài)展開、低溫靜態(tài)展開試驗3種。不同企業(yè)標準對側氣囊靜態(tài)展開試驗要求會有些許不同。相關標準要求如下：

(1)溫度要求：側面安全氣囊(SAB)試驗溫度常溫點爆一般要求試驗溫度為(23±5)℃、高溫點爆試驗溫度一般要求為(85±2.5)℃或(75±2)℃、低溫點爆試驗溫度一般要求為(-35+5/-2.5)℃或(-30±2)℃。一些標準要求試驗相關所有零部件要在恒溫室內相應溫度下至少存儲4 h以后才能進行靜態(tài)點爆試驗。同時為更好地監(jiān)控試驗部件內部的溫度，SAE J 1630—2011《Airbag Module Deployment Test Procedure》標準要求在氣囊內部增加溫度傳感器以用于進行溫度實時檢測，氣囊內溫度達到相應試驗溫度后才能進行點爆試驗[4]。

(2)方法要求：側面氣囊一般分為箱內點爆和箱外點爆兩種，箱內點爆要求將試驗樣件放在高低溫環(huán)境箱內進行環(huán)境處理,處理達到環(huán)境溫度要求后在環(huán)境箱內進行點爆試驗，箱外點爆要求環(huán)境處理完成5 min內在環(huán)境箱外面進行點爆試驗。點爆過程中要在氣囊側面增加透明玻璃擋板，已用于模擬車輛側門和B柱，透明擋板距座椅外側距離與相關車型設計相匹配。要求在玻璃擋板上標記出氣囊展開到+Z向最大位置、-Z向最大位置、X向最大位置，以便于對氣囊展開性能進行檢測。同時一些標準要求在氣囊常溫點爆過程中增加相應假人，并在透明擋板表面標記假人側面投影，以便進行氣囊展開性能檢測。點爆過程中用分辨率不低于1 000 幀/s高速攝像進行記錄，圖像要求至少正面和側面兩個角度攝錄。

(3)性能要求：①氣囊沿撕裂線打開，不允許有任何對乘員造成傷害的硬質飛出物產生，允許有質量小于3 g的軟質飛出物產生；②氣袋不允許翻轉到座椅靠背后面；③氣袋表面無破損，允許有直徑不超過3 mm的小孔產生；④氣囊展開時間應滿足設計值要求，一般標準要求試驗過程中記錄氣囊沖破面罩時間、氣囊展開到X向最大時間、氣囊展開到-Z向最大時間、氣囊展開到+Z向最大時間、氣囊展開到最大時間。同時一些標準中要求氣囊展開過程中需記錄氣囊沖破面罩時間、氣囊展開到胸部時間、氣囊展開到肩部時間、氣囊完全展開時間。

1.2 現(xiàn)行側面安全氣囊靜態(tài)展開試驗方法存在問題

目前，在現(xiàn)行的試驗方法當中對氣囊展開時間還無法通過試驗儀器進行測得，而是由試驗人員通過高速攝像記錄畫面進行評判。在這一評判過程當中，受外界因素的影響非常大，例如高速攝像角度不同得到評判結果會存在差異，不同試驗人員對同一試驗進行評判，也存在試驗結果不同的風險，最終可能導致誤判。氣囊靜態(tài)展開時間參數(shù)的準確性，對氣囊系統(tǒng)開發(fā)至關重要，因此確定一種新的測量方法，能夠準確得出氣囊靜態(tài)展開時間，減少人為因素的干擾非常重要。

2 基于激光投射的側氣囊(SAB)靜態(tài)展開試驗方法研究

從前文分析可知，在側面氣囊靜態(tài)展開試驗中，在氣囊展開時間的判斷過程中，存在著人為因素的干擾，同一試驗不同測試人員對展開時間進行評價結果可能會不盡相同，由于氣囊靜態(tài)展開時間的性能參數(shù)對氣囊系統(tǒng)的開發(fā)尤為重要，若氣囊提前展開在發(fā)生交通事故時不但對乘員起不到保護的作用，反而會因為氣囊起爆后的巨大壓力對人員造成傷害。若氣囊延后展開在發(fā)生交通事故的同時不能對乘員起到很好的保護，反而很有可能造成人員的二次傷害。因此文中提出一種新的試驗方法：基于激光投射的側氣囊(SAB)靜態(tài)展開試驗方法，排除人為因素的干擾，提高了氣囊靜態(tài)展開時間參數(shù)評價準確性，并在側面安全氣囊試驗中進行了驗證。

2.1 激光投射側氣囊(SAB)靜態(tài)展開試驗平臺開發(fā)

激光投射側氣囊(SAB)靜態(tài)展開試驗平臺主要分為：點爆系統(tǒng)、高低溫環(huán)境箱、通用座椅安裝固定臺架、模擬玻璃擋板、激光投射系統(tǒng)、燈光系統(tǒng)、攝像系統(tǒng)。

激光投射系統(tǒng)是由間距為50 mm(間距可調整)激光發(fā)射器矩陣組成，激光投射系統(tǒng)布置方案如圖1所示，試驗過程中激光矩陣垂直投射向氣囊氣袋，氣袋展開過程中氣袋表面對激光具有反射作用，由于氣囊氣袋大多數(shù)為白色，白色對激光的反射能力最強，在高速攝像畫面中能夠清晰分辨氣袋表面反射的激光點，從而實現(xiàn)實時監(jiān)測激光投射到氣袋表面的情況，通過氣袋表面反射激光點數(shù)量和位置能夠準確評價氣袋展開時間和展開面積。圖2為激光投射側向示意圖。試驗過程中可根據(jù)試驗需求設置激光投射面積以及形狀著重標記側氣囊展開重點關注位置(例如氣囊展開X向最大位置、+Z向最大位置、-Z向最大位置、胸部位置、腹部位置、髖部位置)，以便于準確評測側氣囊展開到所需位置的展開時間及展開形狀。試驗過程激光實時投射到側氣囊氣袋表面，根據(jù)高速攝像記錄的氣袋表面的激光投射反光點能夠真實確定氣囊氣袋展開的形狀、面積以及展開時間。避免僅憑視覺觀測氣囊展開狀態(tài)來評價氣囊展開性能由于視覺差所產生的評價誤差。提升側氣囊(SAB)靜態(tài)展開試驗性能評價的準確性。

圖1 激光投射系統(tǒng)布置方案

圖2 激光矩陣投射側視圖

2.2 基于激光投射系統(tǒng)的側氣囊(SAB)靜態(tài)展開試驗方法研究

激光投射系統(tǒng)，在座椅側氣囊靜態(tài)展開過程中將激光投射到氣袋表面，根據(jù)氣袋表面反射激光亮點的數(shù)量和形狀，能夠實時反應氣囊展開位置，再根據(jù)高速攝像記錄時間能夠準確評測出氣囊展開時間。具體試驗方法如下：

(1)固定座椅：開發(fā)一種通用座椅安裝固定臺架，能夠適用于所有類型座椅的安裝，根據(jù)座椅安裝孔調整固定臺架螺紋孔孔距以及安裝角度，安裝固定試驗座椅樣件；

(2)調整座椅狀態(tài)：根據(jù)設計要求調整座椅靠背角度、高度、前后距離；

(3)調整玻璃擋板位置：根據(jù)座椅最外側到玻璃擋板的設計值要求，調整玻璃擋板并固定；

(4)調整激光投射位置：玻璃擋板上設置有4個基準點，調整激光投射位置，根據(jù)試驗要求標記試驗所需關注位置(例如X向最大位置、+Z向最大位置、-Z向最大位置、胸部位置、腹部位置、髖部位置)；

(5)調整攝像：調整正向高速攝像位置使其能夠正向垂直攝錄，調整側向高速攝像位置使其能夠側向垂直攝錄，調節(jié)燈光系統(tǒng)呈現(xiàn)正向和側面兩個清晰攝錄畫面；

(6)設置點爆參數(shù)：根據(jù)氣囊設計值，在點爆系統(tǒng)中設置氣囊點爆參數(shù)，包含點爆電壓、電流、延時時間等；

(7)設置環(huán)境處理溫度及時間：將試驗平臺拉入到環(huán)境艙內(如有需要架設溫度監(jiān)測傳感器)，設置環(huán)境溫度和處理時間進行環(huán)境處理；

(8)點爆試驗：環(huán)境處理完成根據(jù)要求進行點爆試驗，高速攝像記錄整個氣囊展開過程；

(9)性能參數(shù)分析：①對氣囊飛出物進行收集，稱量單個飛出物質量以及全部總質量；②檢查氣袋表面是否有破損；③檢查氣囊撕裂線以及連接件狀態(tài)；④評價氣囊展開時間，依據(jù)標準要求，根據(jù)高速攝像攝錄畫面，核查投射到氣袋表面激光點數(shù)量以及位置，依據(jù)高速攝像記錄時間得出氣囊展開時間參數(shù)。

2.3 基于激光投射試驗平臺側氣囊(SAB)靜態(tài)展開時間評價方法研究

氣袋展開過程中，為更加直觀核查氣袋表面反射激光點情況，將氣袋表面反射的激光點標記為紅色其他為灰色。根據(jù)投射到氣袋表面的激光反射點位置以及高速攝像記錄時間能夠確定氣囊展開到特定位置的時間。

2.3.1 氣囊展開到+Z向最大位置時間評價方法

依據(jù)設計要求激光投射標記氣囊+Z向最大位置如圖3所示。

圖3 氣囊展開到+Z向最大位置示意

核查高速攝像記錄氣囊展開全過程，通過確定氣囊氣袋表面反射激光的情況確定氣囊是否展開到+Z向最大，高速攝像記錄畫面能夠觀測到氣袋表面首次反射+Z向最大位置標記激光點即為氣囊展開到+Z向最大時刻，記錄氣囊展開到+Z向最大位置時間。

2.3.2 氣囊展開到-Z向最大位置時間評價方法

依據(jù)設計要求激光投射標記氣囊-Z向最大位置如圖4所示，核查高速攝像記錄氣囊展開全過程，通過確定氣囊氣袋表面反射激光的情況確定氣囊是否展開到-Z向最大，高速攝像記錄畫面能夠觀測到氣袋表面首次反射-Z向最大位置標記激光點即為氣囊展開到-Z向最大時刻，記錄氣囊展開到-Z向最大位置時間。

圖4 氣囊展開到-Z向最大位置示意

2.3.3 氣囊展開到X向最大位置時間評價方法

依據(jù)設計要求激光投射標記氣囊X向最大位置如圖5所示，核查高速攝像記錄氣囊展開全過程，通過確定氣囊氣袋表面反射激光點的情況確定氣囊是否展開到X向最大，高速攝像記錄畫面能夠觀測到氣袋表面首次反射X向最大位置標記激光點即為氣囊展開到X向最大時刻，記錄氣囊展開到X向最大位置時間。

圖5 氣囊展開到X向最大位置示意

3 舉例驗證

應用激光投射側氣囊(SAB)靜態(tài)展開試驗平臺對座椅側氣囊進行點爆試驗，具體操作流程為：

(1)安裝固定座椅，根據(jù)座椅安裝孔位置調整固定臺架安裝螺紋孔間距，對座椅進行安裝，如圖6所示。

圖6 安裝固定座椅

(2)調整座椅狀態(tài)，調節(jié)靠背角度及位置，如圖7所示。

圖7 調節(jié)座椅狀態(tài)

(3)調整玻璃擋板位置，如圖8所示。

圖8 調整玻璃擋板位置

(4)調整激光投射位置，調整激光基準點垂直投射向玻璃擋板上基準點。

(5)調整攝像及燈光，攝像畫面如圖9和圖10所示。

圖9 側向攝像畫面

圖10 正向攝像畫面

(6)設置點爆參數(shù)。

(7)設置環(huán)境處理溫度及時間，本舉例為常溫箱外點爆。

(8)點爆試驗，高速攝像記錄點爆過程 。

(9)性能參數(shù)分析

①無硬質飛出物產生，軟質飛出物質量為2.32 g；

②氣袋表面完好無破損；

③氣囊沿著撕裂線展開；

④評價氣囊展開時間：展開到+Z向標記位置時間為9 ms(該參數(shù)僅為舉例說明)，展開到+Z向標記位置如圖11所示。

展開到-Z向標記位置時間為7 ms(該參數(shù)僅為舉例說明)，展開到-Z向標記位置如圖12所示。

圖11 展開到+Z向標記位置

圖12 展開到-Z向位置

展開到X向標記位置時間為8 ms，展開到X向標記位置如圖13所示。

圖13 展開到X向標記位置

4 結論

文中通過對側氣囊靜態(tài)展開試驗相關標準要求、現(xiàn)行試驗方法以及側氣囊靜態(tài)展開時間評價方法進行解讀，指出側氣囊靜態(tài)展開試驗中氣囊展開時間的評價僅僅通過人眼去觀察判斷存在人為因素的影響，進而提出基于激光投射的側氣囊靜態(tài)展開試驗方法和基于激光投射的側氣囊靜態(tài)展開時間評價方法，同時搭建激光投射側氣囊(SAB)靜態(tài)展開試驗平臺。有利于提升側氣囊靜態(tài)展開試驗的檢驗效率，降低試驗成本，減少試驗誤判。