气袋气体发生器TANK试验设计 - 文章

气袋气体发生器TANK试验设计

作者：清华大学张金换白远利沈明黄世霖

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摘要：本文介绍了气袋气体发生器的用于气袋模拟计算的理论模型，阐述了气体发生器TANK 试验SAE 推荐规范（SAE J2238 MAR95）。并按照中国压力容器设计标准，参照SAE 规范，设计了一个60 升的容器。同时搭建了整套试验装置，包括容器密封固定装置、点火装置、数据采集记录系统和相关的安全保护设备等。并对某一国产气体发生器进行了TANK 试验，采集了点火脉冲和容器内压力变化曲线，计算出气体发生器的描述参数。试验的成功对容器的设计进行了验证，同时也为今后气袋的计算和试验奠定了基础。
关键词：气袋气体发生器容器试验

Studies on Tank Test Design for Airbag Inflator
Zhang Jinhuan, Bai Yuanli, Shen Ming, Huang Shilin
State Key Laboratory of Automotive Safety and Energy, Tsinghua University
[Abstract] In the paper the theoretic model of airbag inflator and the SAE specification on inflator’s tank test (SAE J2238 MAR95) were introduced. A 60 litres tank was designed, according to the Chinese specification on pressure vessel design and the SAE specification. The necessary setups, including the inflator fixing setup, the fire device, the data acquisition system and the safety equipment etc, were built. A tank test on a certain domestic airbag inflator was done. The describe parameters about the inflator were calculated based on the acquired fire impulse signal and the tank pressure curve. The success of the test proved the tank design, and became the important base of further studies on airbag.
Key words: airbag inflator tank test

1 概述

安全气袋已经成为现在汽车中重要的被动安全措施之一，气袋的匹配研究也是目前汽车被动安全研究的重点之一[1]，气袋的充气元件就是气体发生器，如何描述和标定气体发生器就成为气袋匹配的基础，它也是进行气袋模拟计算最重要的输入参数。

1.1 气袋模拟计算的理论模型

目前气袋模拟计算常使用的是均匀压力计算模型，这个模型是目前广泛使用的气袋展开模型，Madymo、Dyna3d、Pam-Crash 等软件中均用此模型计算气袋的展开过程[2]。气袋的模型如图1 所示。将气袋看成是不断扩大的控制容积(Control Volume)，气体的流入和流出以质量流量计算。假设控制容积内部的气体是理想气体且热容量系数为常数，与外界没有热量交换。进一步假设在控制容积内部温度和压力都是均匀的。在模型中还考虑了由气袋节流排气孔和其他原因泄漏出气袋的气体质量流量[2] [3]。

1.2 TANK 试验的理论模型

作为这个模型的输入是气体发生器的描述参数，主要是气体发生器容器试验（TANK TEST）得到的质量流量曲线和温度曲线，如果要准确描述气袋展开过程，还要求考虑气体发生器喷射特性，这个参数是通过气体发生器喷射（JET）试验得到的[4]。

图1 气袋模拟计算的理论模型

由于气体发生器起作用的时间很短暂，一般是100ms 左右，如果直接测量它的温度变化是很困难的，而只测量容器试验中的容器压力是不足以描述气体发生器的，因此产生了几种气体发生器参数的测量方法，常用的有压力－温度法、双压法、开孔容器试验法和比对方法[5]，气体发生器容器试验的理论模型如图2。

图2 气体发生器容器试验的理论模型

以双压法为例，如果在气体发生器点爆充气过程中，测量下气体发生器内部压力P1 和容器内部压力PT变化，那么可以换算出气袋模拟计算所需的参数，即质量流量曲线和温度曲线。

其中，Coa=C1tA1t

2 TANK 试验的规范

在SAE 中对气体发生器的标定试验有相应的推荐标准，即气袋气体发生器弹道容器试验程序（SAEJ2238 MAR95），里面针对压力容器的设计和试验程序都给出了具体的规定，还包括压力传感器的选用，电测量系统的性能和气体发生器描述参数等。其中对容器容积的规定如下：

气体发生器类型容器试验使用容器体积
司机侧的气体发生器（28.3±0.28）L 或者（60.0±0.60）L
乘员侧的气体发生器（60.0±0.60）L，（100.0±1.0）L 或者（146.0±1.5）L

其中试验的样品在试验之前必须放置在温度调节柜里进行温度调节，司机侧气体发生器的典型低、高端温度范围是－30℃±3℃和+80℃±3℃，乘员侧气体发生器的温度由于在车辆上放置位置不同而不同。

试验过程中采集容器内的压力变化曲线，对于温度变化曲线，由于对温度传感器的动态响应性能要求很高，只是作为推荐采集参数。

3 容器的设计

为了使设计的容器对于司机侧的气体发生器和乘员侧的气体发生器都适用，我们把容器体积设计为60L。为了保证安全，对于压力容器的设计要符合相应的国家标准或者地方标准。中国的压力容器设计标准是：GB150—1998《钢制压力容器》等。

根据气体发生器试验中的容器内的温度变化范围和压力变化范围来确定容器的设计参数为：设计压力1.5MPa，设计温度450°C。容器材料采用压力容器中常用的16MnR。

压力容器的桶体采用圆柱结构，两边封头，一边为了安装固定气体发生器方便，采用平封头形式，再采用法兰连接，另一边为了减少应力集中，采用椭圆封头形式。其中压力容器的设计过程中还要充分考虑气体发生器的外形尺寸和安装固定方法。还有为了测量方便，要在容器壁上开孔以安装传感器，这样开孔的部分要注意进行相应补强。设计计算的步骤是根据容器的容积设计容器的基本外形尺寸，然后根据容器的设计压力、设计温度计算容器的壁厚和封头的壁厚，最后对连接螺栓等部件进行强度校核。最后容器的设计加工装配如图3。

图3 容器试验装配图

4 容器试验结果

4.1 TANK 容积标定试验

制造装配完成的容器实物如图4 所示。因为容器的容积对试验测量的压力影响很大，所以进行TANK试验时对容积有严格的要求，SAE 推荐的容器容积标准是（60.0±0.60）L。因此进行TANK 试验之前要对所制造的容器容积进行标定。如果容器的容积不满足这个要求就必须对试验结果进行修正。

图4 容器实物图

容积标定采用注水标定的方法，测量将容器完全充满所需要的水的重量，从化学手册[6]上查出该水温下水的密度，然后换算出注入水的体积，就得到容器的容积。标定试验的数据如表1 所示。

表1 TANK 容积标定试验数据

标定结果容器的容积为60.59L，基本满足TANK 试验的要求，所以可以不再对试验的结果进行修正。

4.2 气体发生器TANK 试验

试验的对象是国内某气袋公司的一个40L 司机侧气袋的气体发生器。进行TANK 试验时整体的设备如图5 所示，包括压力容器装置、气体发生器固定装置、点火装置、数据采集记录装置和相关的安全保护设备。

图5 Tank 试验整体试验装置图

其中容器装置部分为了试验过程的安全，要求放置在单独的房间里，或者用其他遮盖物进行隔离。同时还需要使用其他一些必要的安全保护装置。点火装置采用12V 的直流电源，气体发生器内部的电阻大概2Ω，这样连接上电源后瞬间就产生大约6A 的电流，达到了气体发生器的点爆条件。同时为了采集下点火脉冲，在直流电源的两端并联一个由两个大阻值电阻组成的串联回路，通过电阻的分压，得到5V 以下的电压脉冲，然后经过AD 板的转换，就可以直接和压力信号同时进行采集。具体的电路如下图6 所示。

图6 气体发生器点火电路

其中SAE 规范中对数据采集记录的主要要求如表2 所示。

表2 TANK 试验数据采集记录要求

TANK 试验中还有一个关键，就是气体发生器的固定和密封方式。由于气体发生器的充气过程会产生较大的向后冲力，所以固定的装置必须有足够的强度。同时保证容器的密封，以确保准确采集容器的压力信号。本试验中采用方式如图7 所示。

图7 气体发生器固定和密封方式

试验前后的气体发生器如图8 所示。试验采集的点火脉冲信号和压力变化曲线如图9 所示，图中显示的压力曲线是经过CFC60 数字滤波的结果。

a) 试验前 b) 试验后
图8 试验前后的气体发生器

图9 TANK 试验测得压力曲线和点火脉冲

SAE J2238 MAR95 中为了描述气体发生器的特性，推荐了几个描述参数，从本次试验得到的数据可以算出这几个描述参数，如表3 所示。

表3 TANK 试验测得的气体发生器特性参数

5 总结

本文介绍了气袋气体发生器用于气袋模拟计算的理论模型，阐述了容器试验的规范（SAE J2238MAR95）。并以这个规范为基础，按照中国压力容器设计标准设计了一个60L 的试验容器，同时搭建了整套试验设备。给出了某一气体发生器进行容器试验的结果，从而对容器试验的设计进行了验证，结果证明容器试验的设计是成功的。同时也为今后气袋的计算和试验奠定了基础。

参考文献
1 黄世霖等编著. 汽车与安全. 北京：清华大学出版社，2000
2 王晓冬. 安全气袋模拟计算方法及抗干扰实验研究（博士学位论文），北京：清华大学
3 J.T. Wang and donald J. Nefske. A new CAL3D airbag inflation model. SAE 880654
4 P.Groenenboom, D.Lasry. A Diffusive Gas Jet Model in PAM-SAFE for Airbag Inflation. SAE 930238
5 J.T.Wang. Are tank pressure curves sufficient to discriminate airbag inflators? SAE 910808(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (7/16/2005)


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