安全气袋尺寸设计浅谈

 随着汽车在国内的普及，汽车安全性越来越备受关注，安全气囊作为约束系统中最后的安全保障，它的重要性也被突显出来。安全气囊中的气袋在展开的一瞬间能否保护驾乘人员免受伤害，气袋的设计是依据何种条件？作者根据多年的工作经验对此进行了分析，对各种影响因素做了列举。
    5inch-30ms准则
    正面安全气囊起爆时，展开的气袋主要是保护驾乘人员的头胸部不受伤害。气袋展开后的厚度和大小对保护效果起到了巨大的作用。无论ECU对点火时刻控制的多么精准，如果气袋不能满足设计要求，对人员的保护也是不利的。
    当安全气囊起爆的时候，汽车与障碍物碰撞之后，汽车速度急剧变化，驾乘人员在惯性的作用下向前运动，安全带和安全气囊在此时同时发生作用，阻碍人与车内的方向盘、挡风玻璃或仪表台等物件发生碰撞。
那么气袋的厚度怎么样才会设计合理呢？需要先和大家解释一个概念 —“5inch-30ms准则”。
    主驾气袋的充气过程大约需要30ms，一般轿车驾驶员与转向盘之间距离为12英寸（1inch=25.4mm），气袋充气后的厚度约为7英寸，所以，当驾驶员头部前移5英寸这一时刻的前30ms为最佳点火时刻，这就是气囊系统点火的“5inch-30ms准则”。（注：驾乘人员是在佩戴安全带的情况下进行碰撞） 
    如果以碰撞车辆为坐标系（移动坐标系），在车辆碰撞前期的一段时间内，由于惯性的作用，驾驶员将基本保持碰撞前的运动形态，也就是驾驶员将按车辆碰撞0时刻的速度向前移动，这样车辆向后的减速度相当于驾驶员向前的加速度。由于B柱靠近驾驶员位置，驾驶员向前的加速度约等于车辆B柱位置的减速度；碰撞0时刻，驾驶员相对车体的速度为0，则B柱减速度的一次积分就是驾驶员向前的速度变化量，二次积分就是驾驶员向前的位移量。例如：当驾驶员头部移动位移达到5英寸（127mm）时对应的时间为46.3ms，那么气囊ECU点火的最佳时刻就应该是16.3ms。    
    这个准则是ECU开发的基本要求，也是气袋体积设计的理论基础。其中：
    T_HA     驾驶员头部从开始运动到接触气囊所用时间
    T_ED     ECU感应碰撞到判断点火所用时间
    T_IN     气囊充满所用的时间
    T_HA则应满足：T_HA≥ T_ED + T_IN
    S_DR    驾乘人员头部距转向盘或仪表板的距离
    S_AM    气囊设计的最大厚度
    S_DT    驾乘人员头部从开始运动到接触气囊的移动距离
    S_AM则应满足：  S_AM ≤ S_DR - S_DT
    上述关系式表明，气囊可以设计的最大厚度：ECU判断点火时间和气囊充满气所需时间之和，就是驾乘人员向前移动可以利用的时间，驾乘人员距转向盘或仪表板距离减去这段时间乘员头部移动的距离，就是气囊可以设计的最大厚度。
    气袋的设计－影响因素
    气袋的厚度定下来之后，就是对气袋其他因素的综合控制，包括气袋的大小，气袋拉带的长度和数量，发生器压力。
    发生器的压力大小，决定了充气的速度和饱和度；拉带的长度和数量是控制气袋起爆后的厚度及形状；气袋的大小决定了是否能够充满驾乘人员与转向盘或仪表板之间的空间。同时，这些因素又是相互制约的：如果气袋过大，发生器产生的气体无法充满气袋，造成保护效果不良；如果拉带长度不够，也无法满足驾乘人员在最适当的时候碰触气袋；如果发生器的压力过大，导致气袋30ms前充气完毕，也让驾乘人员无法在适当的时候碰触气袋。所以，要求这些因素要达到一个动态的平衡，才能得到一个优秀的设计，满足气囊在最合适的时间起爆，驾乘人员在最合适的时间碰触气袋。
    气袋大小的影响，如果过大，则气袋充气不满，乘员头部接触气袋时效果不理想；如果过小，气袋充满时间早于30ms，乘员头部接触气袋时，气袋已经达到排气过程。这时需要调整发生器参数或气袋大小来优化设计。
    拉带长度的影响，如果过长，气袋厚度超出理想范围，展开的气袋会击伤乘员；如果过短，气袋展开不充分，乘员头部接触气袋效果不理想。这时需要调整拉带长度来优化设计。
    发生器压力的影响，如果压力过大，气袋充满时间早于30ms，乘员头部接触气袋时，气袋已经达到排气过程；如果压力过小，气袋充气不满，乘员头部接触气袋时效果不理想，这时需要调整发生器参数或气袋大小来优化设计。
    ECU起爆时间的影响，如果起爆时间过早，则气袋充气过早，乘员头部接触气袋时，气袋已经达到排气过程；如果起爆时间过晚，气袋充气过晚，乘员头部接触气袋时，气袋仍在展开过程中，可能会击伤乘员。这时需要调整ECU参数或发生器与气袋参数。
    除了上述总结出来的影响因素外，还要考虑一些特殊因素。例如：对于乘员气囊来说，如果气袋设计的过大，发生器满足充气的压力需求，展开时对于瘦小的乘员或儿童乘员将可能造成伤害，所以乘员气囊大小的设计以能保护极限斜角碰撞下乘员为佳。另外，就是对OOP乘员的保护，普通控制系统气囊不能很好解决这样的问题，潜在伤害还会存在，通过警示乘员佩戴安全带和禁止儿童乘员在前排乘坐来避免气囊起爆对这些乘员的伤害。
    由此可见，对于安全气袋尺寸的设计，要综合考虑各种影响因素，使其达到一个平衡的状态，最终的目的就是为了更好的保护驾乘人员的安全。随着汽车科技日新月异的发展，大量传感器在汽车上的应用，许多涉及安全的数据越来越准确详实，相信安全气囊的保护能力也会越来越好。