2011年第7期 (总第240期) 农业装备与车辆工程 AGRICULTURAL EQUIPMENT＆VEHICLE ENGINEERING No．7 2011 (Totally 240) doi：10．3969／j．issn．1673—3142．2011．07．008 侧面安全气帘的设计与开发技术 陈钟洲，周大永，刘卫国，赵福全 (浙江吉利汽车研究院有限公司，浙江杭州31 1228) 摘要：侧面碰撞事故中头部的撞击往往会造成致命的伤害。安全气帘是专门针对头部?；さ陌踩爸?，在侧 面碰撞事故中能有效地避免乘员头部受伤或减小其受伤的程度，安全气帘的设计与研发是十分必要的。本文 总结了侧面安全气帘的设计与开发技术，其中包括：安全气囊的结构和工作原理、重点介绍了安全气帘的设 计内容和安全气帘系统的匹配方法。总结了一套安全气帘设计开发的流程。对于同类型安全气帘的开发具有 指导意义。 关键词：安全气帘；开发流程；匹配方法；侧面碰撞 中图分类号：U491．6+1 文献标识码：A 文章编号：1673—3142(2011)07—0024-06 A Key Technology for Car Side Curtain Ajrb孵Development Chen Zhongzhou，Zhou Dayong，Liu Weigno，Zhao Fuquon (Zhejiang Geely Automobile Institute Co．Ltd．，Hangzhou 310000，China) Abstract：Side impact collisions in the head are often causing fatal injuries，SO a curtain airbag is designed for head protection． In side impact accidents，it con effectively prevent occupant％head injuries or reduce its level of injuries．It is necessary to design and develop curtain airbag．In the paper，technologies of the curtain airbag's design and development ale summarized， including：airbag structure and working principle，focusing on the design elements of curtain airbag and system's matching method，the design and development flow of curtain airbag is summed up，and it is a guide for the development of the sflne type of curtain airbags． Keywords：side curtainairbag；development process；matching method；side impact 0引言 在近几年公安部公布的全国道路交通事故统 计年报中，侧面碰撞事故占有相当比例。以2005 年为例，侧面碰撞事故总数为177844起，占到所有 事故数的40％。侧面碰撞事故引起伤亡人数为 212422人，占到总伤亡人数的37％。如图l、图2 所示。 从图中可以看出，侧面碰撞是在我国道路上 最易发生的事故形态，也是造成人员伤亡最大的 事故形态。所以针对侧面碰撞乘员?；さ姆治黾?研究是十分必要的。安全气帘当发生侧碰或者翻 滚事故时从顶棚内饰中展开形成像幕帘一样形态 的气袋覆盖住前后排侧围窗户，防止头部直接与 车窗框或者外部侵入物接触、撞击，在翻滚事故中 甚至可以有效防止乘员头部或身体整个越出车体 而受伤。美国的车辆事故统计表明，配备侧气帘后 收稿日期：2011-02—11 作者简介：陈钟洲(1975一)，男，工程师，主要从事汽车整车安全性 能设计工作。 一24一 侧面碰撞的死亡率降低了45％，可见侧气帘在保 护侧面碰撞乘员头部伤害方面具有显著的功效。 圈1 各种形态的事故比例 图2各种形态的死亡人数比例 1侧气帘的结构与工作原理 安全气帘约束系统包括气帘?？?、侧碰撞传 感器及ECU控制器。侧气帘?？榈慕峁谷缤?所 示，主要包括：气袋、气体发生器、气体扩散管、线 束、固定片。侧碰及翻滚传感器感知事故信号。并 万方数据 陈钟洲等：侧面安全气帘的设计与开发技术2011年7月 传递给电子控制单元。电子控制单元(rcu)与其 它约束系统零部件共用ECU，增加侧面碰撞功能， 对侧面事故分析、判断、引爆气帘?？?。 图3气帘?？樽槌?普通侧碰事故中，一般冲击车身的位置在乘 员肩部以下，对头部的伤害不是很大，一般都会小 于法规的指标，所有?；ね凡康陌踩毙Ч?不会很明显，而在侧面柱形碰撞试验中，刚性柱会 贯穿到头部以上，对侧边顶梁和窗玻璃有很大的 入侵，此时头部需要安全气帘?；さ谋匾院芡?出，相比较头胸一体的侧气囊来说，安全气帘有以 下优势：侧气囊一般装在座椅侧翼骨架上．需要向 上展开到达头部，需要避开胳膊、安全带的影响， 要求很好地控制气袋展开方向及形态，而安全气 帘从顶梁处向下展开，且展开路径中的空间很容 易到达头部和车侧围之间，所以安全气帘展开快 捷、顺利；安全气帘?；し段Ц哺乔昂笈?，甚至第 三排，即一个?？橥北；じ髋懦嗽?，利用率较 高。由于覆盖在几乎整个坐舱侧面上部，加上拉带 的作用，对于柱撞时，不会存在象侧气囊那样有可 能气袋偏离头部与刚性柱而失效的风险，且这种 结构会有效“兜”住乘员，而不至于头部越过车窗， ?；じ哺乔蚬?。不会发生?；て?。 具有翻滚?；すδ艿钠?带翻滚传感器、气 袋有7s的保压能力)在翻滚事故中会提供持续的 ?；?，保证人不与外物直接接触，甚至防止人越出 车体，独特的翻滚?；すδ?。安全气帘特别在柱撞 和翻滚时对头部的?；ず苡杏攀?。 2安全气帘的设计内容 2．1 安全气帘布置要求 圈4安全气帘安装图 安全气帘总成从布置位置来讲不比气帘的多 样化。其只有一种布置方式：顶棚与车身钣金间， 就像内藏式的侧气囊一样，在不爆出情况下是不 可见的(见图4)。 2，2安全气帘的固定点的设计要求 安全气帘由于长度长、?；し段Ч?，如果固定 点失效．瞬间产生巨大的冲击力使得安全气帘不 仅?；げ涣顺嗽?。有可能对乘员造成更大的伤害， 所以对安全气帘的安装可靠性要求要特别严格， 气帘大致固定点如图5。 圈5安全气帘固定点要求 2．3安全气帘的覆盖面积设计 设计气帘时对座椅的考虑项主要是考察其滑 轨位置，将假人放到座椅上，再调节滑轨至最前，中 间，最后，由此来确定乘员(各假^)头部位置。一般 布置气帘会优先考虑在假人头部位置设计凸起的 形状，这样有利于对乘员头部的?；??；挂刈⑶?后排中间不需要?；さ目占溆卸啻?。这部分空间是 不充气的，这样可以节省成本(参见图6、图7)。 图6乘员头部位置确定 圈7乘员头部位置凸起设计 2．4安全气帘对内饰件的设计要求 内饰板除了装饰车内外，还起到缓冲人体二 次冲击的作用，因此对内饰造型设计的同时也应 一25— 万方数据 2011年第7期农业装备与车辆工程 考虑强度设计。在设计安装有侧气帘的内饰板强 度时，需要兼顾气帘的展开，重点是刖B／C柱内饰 板的加强筋设计和与顶棚的重叠面设计(重叠面 的深度及宽度)。上述两个因素会影响到气帘的展 开，如果设计不当，可能会造成气帘被内饰板卡住 而无法顺利下落，或者造成内饰板脱落。内饰件不 能有尖锐的尖。以防安全气帘气袋展开时被刺破。 (见图8、图9、图10、图11)。 圈8内饰件和车身的间隙 图9内饰件加强筋的设计 图10内饰件加强筋的设计 图11内饰件加界的设计 B柱、C柱内饰与顶棚要搭接在一起，搭接长 度最多不能超过lOmm；搭界线位置不能高也不能 太低，搭界线的位置应该在导向支架下边缘的下 方lO-20mm处。顶篷内饰板做成弱化线以便于安 全气帘能顺利起爆，以防气袋展开后无法展开。 一26— 2．5安全气帘对导向件的设计要求 导向结构的角度应控制在8=100—1350范围 内，能够保证气囊起爆过程中顺利展开(图12)。 图12导向件的角度 2．6安全气帘?？榈纳杓?根据安全气帘的结构，各个部分设计要求不 同。发生器：可以瞬间产生大量气体的装置，用于 气袋的充气；气袋：由高强度、可耐高温的尼龙材 料制成，充气后形成对人的缓冲；气体导管：在气 袋内部连接发生器端头。将气体快速引向气袋不 同位置；拉带：在气袋展开过程中，拉紧气帘，使 其稳定地向下展开。且展开后袋体保持一定的拉 力；固定片：不同位置的气帘与车身连接固定件。 安全气帘性能参数设计要求．气袋充满时间： 侧面需要气帘能快速反应．充满时间越短则气帘 适应不同事故情况的能力就越强。在其他参数设 计选取时更加灵活。影响充满时间的因素：发生器 压力曲线、气袋体积、发生器布置形式，导气管形 式、叠袋方式、车身分离结构的分离强度等众多因 素。气袋从开始充气到全充满(没有褶皱)的时间， 一般充满时间16～26ms；充满时的厚度：气袋充满 时各?；で暮穸?，前排是120—200mm，后排80。 150mm；气袋刚度：描述气袋软硬度在?；な奔淅?程内的表现；展开时间：指气袋从开始充气到完全 展平所需要的时间，一般为12。20ms。 气袋展开的平稳性：指各?；で?、各气室充 气展开的保持均匀、同步不发生晃动的能力。气袋 缝纫布置原则：缝纫线的设置用来控制气帘的厚 度，形成不同的气室，甚至是溢流通道。(图13为 一种气室布局设计)。需要考虑50％假人头部(图 圈1 3安全气帘气袋气室的设计 万方数据 陈钟洲等：侧面安全气帘的设计与开发技术2011年7月 13中圆圈所示)应该尽量避开缝纫线。而应处于 图中所示位置上。所说的气帘充满厚度也是指对 应假人头部位置的气袋厚度。 展开方向及展开平稳性的要求：对于相对正 面的气帘来说厚度较薄面积较大的安全气帘需在 必须的时间内以正确的姿态展开到人与车身内侧 较狭小的空间内以达到?；と说男Ч?，这就对安 全气帘的展开方向以及展开时的稳定性提出较高 的要求。展开时应该贴紧B柱垂直向下展开。各保 护区域、各气室展开时要保持同步均匀的充气、不 发生晃动。影响到气袋展开方向的因素有叠袋方 式、拉袋、车身分离导向结构等。叠袋的基本形式 有两种：Z形折和卷形叠袋方式(图14、图15)。z 形折展开阻力较小，易于展开，展开方向也较容易 控制；卷式阻力稍大，但方向性强，稳定性强，两种 可以组合成其他的十几种叠袋方式。 圈14气袋“Z”形叠袋方式 图15气袋卷形叠袋方式 拉带的设置非常有助于控制展开方向。拉带 的存在使气帘有一定的张力，对于保持住乘员，防 止乘员越过车窗也很有效。拉带的拉紧需要借助 于气袋的收缩。 2．7安全气帘的设计流程 随着CAE技术的发展，传统的基于试验的设计 开发流程已逐渐被基于CAE技术的设计开发流程 所取代，图16为基于CAE的设计开发流程。从气 袋的草图设计开始，采用CAE技术对气袋进行详细 分析和优化设计’包括：气袋容积的评估，气袋覆盖面 积的校核，气袋收缩和张力的检查展开时间的检查， 缝线形状及位置的检查。在完成优化设计后，须通过 试验对设计结果进行检验和确认，包括：气袋静态 展开试验，头部模型自由冲击试验(台架)，侧面移 动壁障和侧面柱碰撞试验(实车+假人)。 气袋设计草图 建立仿真模型 ●气袋体积评估 ●气袋面积校棱 ●收缩力和张力校核 ●展开时问校棱 ●气袋缝线形状和位置校核 是 设计优 ]巨 改进设计建议 静态展开试验 29km／h侧面柱撞实车 碰撞试验(设计验证) 50km／h侧面移动壁障实 车碰撞试验(设计验证) 头型冲击试验 (设计验证) 选择气体发生器 头型冲击模拟和 气袋进一步优化 头型冲击试验 (设计确认) 圈16基于CAE技术的开发流程 3安全气帘系统的匹配方法 侧气帘系统匹配主要是检查：(1)不同温度条 件下气帘的展开时间及展开状况；(2)侧面加速度 传感器的抗干扰能力；(3)ECU控制算法；(4)系统 对乘员的?；ばЧ?。针对上述开发目标，通常需要 进行以下匹配试验。 3．1 安全气帘静态展开试验 安全气帘静态展开试验分两类：(1)单独考核 气袋的静态试验，采用头型冲击方式，见图17，可 以模拟汽车侧面撞柱环气袋置于刚性柱前，气袋 用压缩气体充气并维持不同的恒压，用自由的头 部模型以不同的速度撞击气袋，这不仅能检查气 袋的工艺，如包型、缝线强度等，而且还能测量不同 速度，不用撞击位置头部的伤害值，从而对气袋的 设计提供改进依据。(2)考核气帘?？樾阅艿木蔡?展开试验，包括气体发生器的性能、气袋展开时 间、气帘与内饰配合情况等。这类考核的静态试验 方法见图18，气帘?？楸匦氚沧霸诔瞪砟?，试验状 态应与实际装车时状态一致，通过高速摄像机记 录整个展开过程，用于发现和分析静态展开过程 中可能存在的问题。在设计阶段，试验通常需要考 察85℃、23‘C和一35℃3种温度状态下的静态展开 情况，到样品验收阶段，则试验样件必须先通过要 求的环境试验后，才能进行静态展开试验。 一27— 万方数据 2011年第7期农业装备与车辆工程 图17安全气帘静态展开示意图 图18气帘?？榫蔡箍匝?3．2误用试验． 误用试验是通过一系列的坏路面道路试验， 有目的地复现可能的极端路面及汽车的野蛮操作 环境，验证汽车在各种坏路面行驶时气帘系统的 可靠性，要求控制器不允许发出点火信号，防止气 帘在上述环境下误爆。误用试验分静态误用试验 和动态误用试验两种，安全气帘误用试验矩阵见 表1、表2，全部试验过程中不允许安全气帘点爆。 表1静态误用试验矩阵 试验号试验项目说明 1 落球击打 分别从150mm和250ram高落 球击打ACU ． 锤击牵引钩&保分别锤敲前后牵引钩和前后保 。险杠险杠的左、中、右部位 4秽然蒸燃 。锤击车身 。 (车身内部敲击) ， 锤击车身 ” (车身侧围外部) ．锤击车身 。(前机舱部) 。安全鞋脚踢或 。锤击 9 猛力关门 用锤击打车向柱及ACU中央通 道、手闸、座椅滑轨等部位 用锤击B、C柱『丁锁扣及侧碰传 感器周边位置。 用锤击发动机顶部、安装支架及 正面传感器附近位置。 用脚踢保险杠、车门及地板等各 个部位。 用力关闭“四门两盖” ．，、猛力调整座位在座椅上有人和无人两种状态 ? (向后移) 下向前、后猛力调整座椅 11落重 分别用铅球从0．5ram自由跌落 驾驶员底板和乘员底板。 一28一 表2动态误用试验项目及路面特征 试囊蠹弓试验项百说明 3．3实车碰撞试验 实车侧面碰撞试验是对气帘约束系统的最终 验证和考核试验。试验内容主要为ECER95侧面 移动变形壁障50km／h(．见,图19)碰撞和EuroNCAP 侧面29km／h撞柱试验(见图20)，试验采用ES2侧 万方数据 陈钟洲等：侧面安全气帘的设计与开发技术2011年7月 面碰撞假人，针对侧面气帘：首先要求在试验过程 中气帘能够正常展开，不发生内饰件脱落或将气 帘悬挂等现象；其次，从碰撞发生到气帘展开的时 间要求在5—10ms，气帘充气时间要求在20～ 30ms；最后，假人头部的伤害要控制在HIC小于 800(法规要求是HIC≤1000)。 图19侧面移动变形壁障50I(m，h 图20 EuroNCAP侧面29km／h撞柱试验 4总结 侧气帘在汽车发生侧面碰撞(撞车或撞柱)时 能够非常有效地?；こ嗽蓖凡坎皇苌撕?，基于 CAE技术的侧气帘开发设计流程能够提高气帘开 发的效率和可靠性并缩短开发周期。侧气帘设计 的关键技术问题可归纳为：气帘?；で?、缝线、 拉带、内饰板、气体发生器充气管道等的设计和气 帘的匹配技术。文中所介绍的设计方法及经验可 作为参考，可以移植到新车型安全气帘产品的设 计和开发中。 参考文献 【1】王煊，李宏光，赵航．现代汽车安全【M】北京，人民交通出版社 1997．1[1】：256-272． 【2】葛如海，刘志强，陈晓东．汽车安全工程【M】．北京：化学工业出版 社．2005．9 247之80． 【3】3 GB／T 19949．2-2005道路车辆安全气囊部件【s】．中国标准化 委员会，2∞5． 【4】Narayanasamy Nirmal，Hamid Mohamed，Ma Deren，et a1．An Integrated Testing and CAE Application Methodology forCurtain 娥Deve—lopment【c】．SAE Paper 2∞5—01--0289． 闭任水银，侧面碰撞安全气囊的模拟设计过程，世界汽车，2001 年第l期． 【6】陈晓东、朱西产、吏广奎等，汽车侧面碰撞安全性的评价与改 善，中国汽车工程学会2003学术年会，2003． 【7】赵桂范等．汽车侧面碰撞响应与秉员?；し治觯瞪杓朴胫?造．2008． 【8】李发宗、李传志．汽车侧面碰撞假人应用分析．汽车技术，2007 (5)． 【9】刘晖．代理模型方法在轿车秉员约束系统仿真优化中的应用研 究f^I]．湖南大学，2008． (上接第23页) 此模糊PID复合控制优于PID控制。所以，模糊 PID控制器具有良好的控制效果。 5结论 从总体看，采用PID控制、模糊PID控制的半 主动悬架系统的性能均优于被动悬架性能：采用 模糊PID控制相比于采用PID控制，车辆行驶平 顺性以及操纵稳定性都得到了提高。因此半主动 悬架系统采用模糊PID控制有更好的控制效果。 另一方面，由于非线性的存在，难以运用传动 理论进行分析，并解释为何模糊PID控制器可以 实现更好的性能。因此探索模糊PID控制器的非 线性控制特性，并找出合适的设计方法提高闭环 控制性能，是下一步的重点研究工作之一。 参考文献 【1】曾洁如，谷正气，李伟平，等．基于遗传算法的半主动悬架模糊 PID控制研究阴．汽车工程，2010(5)． 【2】郑灿，赵云，陈乐生．车辆主动悬架的模糊PID控制器仿真分析 叨．福州大学学报(自然科学版)，2008(2)． 【3】昊九山．车辆半主动悬架模糊PID控削仿真及实验研究IV]．南 京：南京林业大学。2008． 【4】韩宝江，张伟，康尔良．基于MATLAB的模糊参数自整定PID 控制器的仿真研究田．黑龙江水专学报，2009(1)． 【5】丁能根，余贵珍．汽车动力学及其控制【M】．哈尔滨工程大学出 版社．2009． 一29— 万方数据