创新丨新型管式安全气囊

近年来，被动安全技术得到蓬勃发展并趋于成熟，安全气囊在车内乘员防护方面起着重要的作用。交通事故统计分析结果表明，单独使用气囊可减少32%的死亡事故，气囊与安全带配合使用可减少67%的死亡事故。

然而，安全气囊气体发生器在点爆充气时会产生巨大的能量，给乘员带来很高的损伤风险。

一方面，气体发生器容器壳体在高温和高压气体的作用下，极易发生变形和断裂，因此，金属碎片可能以致命的速度飞向车内乘员的头部和胸部。

另一方面，安全气囊在展开过程中内部压力很大且具有很强的冲击力，如果人体在气囊未完全展开前与其接触，可能受到气囊很大的冲击力作用，进而导致乘员伤亡。

 新型管式气囊设计

管式气囊的设计理念是利用管道式结构构建缓冲吸能空间，同时依靠自身结构特点承受外力，它将具有与普通气囊相似的有效膨胀容积，使其具有较少剂量的气体发生剂和较小的点爆能量。

管式气囊可以利用渗透率低的气囊材料，并在合适位置设置泄气孔，使其在保压方面较普通气囊更具鲁棒性。未来长气囊管可开发无缝一体成型的新工艺，存在大批量生产的可行性，保证管式气囊在设计制造时的高质量。

新型管式气囊呈现圆台的形状，包含上下部分圆环形气囊管、中间部分折叠气囊管和两个软垫。底部有两根圆环形的管道，顶部有3根圆环形管道，中间部分有4根折叠型的长气囊管。中间的每根管道从底部中央开始与上下管道之间连接。新型管式气囊结构示意图如图1所示。

☝图1. 新型管式气囊结构示意图

当新型管式气囊充气时，气体发生器产生的气体进入储气室，储气室连接四根中间管道的起始端，气体从起始端进入管道，进而迅速将气囊展开，达到设计Z方向（高度方向）的厚度值，之后继续沿管道充气使安全气囊在X和Y方向膨胀展开，达到设计要求的形状。该设计可以将气体发生器产生的具有冲击效应的气体能量迅速扩散到XY平面上去，降低了安全气囊在展开过程中给人体造成的损伤风险。

防护性能分析

在进行约束系统模型的建立与验证时，根据丰田发布的2006款Yaris车型的约束系统各部件布置尺寸以及物理属性，利用有限元建模软件建立简化的驾驶员约束系统，以加快计算的效率。该模型包括座椅、三点式安全带、安全气囊、方向盘和地板等，各部件之间定义了相应的连接方式，以获得更加接近实车的物理属性。约束系统在建立与验证过程中，使用第50百分位Hybrid III假人建立完成的约束系统模型如图2所示。

☝图2. 约束系统模型

在进行新型管式气囊有限元模型的建立与验证时，首先在三维建模软件UG中建立新型管式气囊三维模型，之后进行网格划分，共有37 921个节点、40 123个单元。为了验证安全气囊有限元模型的准确性，试制了新型管式气囊样件，并采用高压充气泵开展了静态展开试验。

而如何判断管式气囊对驾驶员防护效果呢？汽车驾驶员的体型和体重等不尽相同，当充气量较少时，新型管式气囊的刚度与防护效果将是重点考虑因素。

为了研究以上提到的问题，第5百分位假人、第50百分位假人和第95百分位假人（分别代表较小身材女性、中等身材男性与较大身材男性）3种假人被用来代表驾驶员的多样性，并且均加入到已经建立的约束系统中，分别利用新型管式气囊与普通气囊进行仿真并对比。

研究结果显示，针对约束系统，仿真与试验中假人伤害指标曲线的峰值和变化趋势较为接近，如图3所示；对于管式气囊来说，试验与仿真过程中对应时刻的形态比较如图4所示。

（请点击滑动查看图片）

☝图3. 仿真与试验损伤指标曲线对比。

（a）头部加速度比较；（b）胸部加速度比较。

☝图4. 气囊静态展开仿真与试验对比图

考虑到能够直观地观察到两种气囊和假人之间相互作用后的动态响应，以第50百分位假人碰撞时的响应为例，得到如图5所示的响应对比图。基于对仿真中假人各个方向测量到的加速度数值，将头部加速度和胸部加速度值进行合成，可以得到不同假人间加速度曲线的异同，如图6所示。

☝图5. 第50百分位假人动态响应。

（请点击滑动查看图片）

☝图6. 不同体型假人加速度曲线对比图。

头部加速度对比：（a）第5百分位假人；

（b）第50百分位假人；（c）第95百分位假人。

胸部加速度对比：（d）第5百分位假人；

（e）第50百分位假人；（f）第95百分位假人。

为了定量表示出普通气囊与管式气囊在防护乘员方面的差异，使用头部损伤指标（HIC）和胸部3 ms加速度值作为衡量标准。将图6所示的加速度曲线进行处理，得到表中的损伤数据值。

从定性和定量分析的结果可以看出，对于第5百分位假人，在满足法规对HIC与胸部3 ms加速度值的要求下，可以将气体发生剂的用量减小60%。对于第50百分位假人与第95百分位假人，在达到期望的防护效果的约束下，至少可以将气体发生剂的用量减少30%。

☝图7. 不同质量流率比例系数下的假人损伤值

因此，我们可以得到以下结论：

（1）管式气囊主体采用多根气囊管道构建缓冲吸能空间，静态体积减少到普通气囊静态体积的1/3，但有效展开体积与普通气囊的接近，可以缩减气体发生剂的用量并产生较少的点爆能量，从而降低气囊展开过程中对人体造成的损伤风险。

（2）从仿真结果看，在满足法规对HIC值和胸部3 ms加速度值要求的前提下，小体型的乘员可以减少近60%的气体发生剂用量，中等和大体型的乘员也至少可以减少30%的气体发生剂用量，并达到理想的防护效果。

（3）根据对第50百分位假人的优化结果，Pcomb概率下降了22%，并且充气量最优解减少32%，说明管式气囊在提高对乘员的防护性能方面具有较大的潜力。

参考文献

Huajian Zhou,Zhihua Zhong,Manjiang Hu. Design and Occupant-Protection Performance Analysis of a New Tubular Driver Airbag[J]. Engineering, 2018, 4(2): 291-297.

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