摘要：針對(duì)儀表板氣囊靜態(tài)點(diǎn)爆試驗(yàn)過(guò)程中，儀表板表皮飛出、儀表板上體碎裂、氣囊支架鉸鏈碎裂、氣囊囊袋破孔，四種典型失效形式進(jìn)行分析討論。結(jié)果表明：對(duì)于發(fā)泡儀表板，提高表皮的性能、表皮與泡沫層的粘接力，可避免表皮飛出，增加氣囊支架鉸鏈止斷筋的寬度會(huì)緩解鉸鏈斷裂。對(duì)于硬質(zhì)儀表板，上 體存在吸能結(jié)構(gòu)可降低氣囊門撞碎上體的風(fēng)險(xiǎn)。增加囊袋織物密度和基布層數(shù)，會(huì)降低囊袋破孔的幾率。
關(guān)鍵詞：儀表板，氣囊，靜態(tài)點(diǎn)爆，失效
汽車對(duì)交通行業(yè)的發(fā)展做出了卓越貢獻(xiàn)，但是隨著汽車數(shù)量的增多，交通事故頻繁發(fā)生[1]。為了減少交通事故中人員的傷亡，在汽車內(nèi)部配備安全氣囊。據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)汽車發(fā)生碰撞時(shí)，裝有安全氣囊的車輛的人員死亡率會(huì)降低 14% [2]。安全氣囊已經(jīng)成為一種有效的被動(dòng)安全技術(shù)被廣泛應(yīng)用于汽車上[3]。儀表板氣囊系統(tǒng)作為汽車安全氣囊系統(tǒng)中重要的組成部分，特點(diǎn)是氣囊模塊安裝于儀表板氣囊支架上，用于保護(hù)副駕駛乘員[4]。近年來(lái)，針對(duì)儀表板氣囊系統(tǒng)的研究，尤其是如何滿足整車廠對(duì)于儀表板氣囊爆破試驗(yàn)的要求，已經(jīng)受到眾多研究學(xué)者的關(guān)注。卞春雷等人系統(tǒng)的研究了儀表板氣囊區(qū)弱化工藝，分析了 6 種弱化工藝的優(yōu)缺點(diǎn)，為弱化工藝的選擇提供了技術(shù)支持[5]。袁智軍等人對(duì)儀表板弱化線進(jìn)行仿真，表明弱化線的殘厚對(duì)氣囊爆破試驗(yàn)有重要影響[6]。江偉等人通過(guò)研究?jī)x表板氣囊爆破試驗(yàn)失效案例，表明工藝參數(shù)，設(shè)備能力，儀表板材料的理化性能對(duì)爆破試驗(yàn)有重要影響[7]。耿輝斌等人研究了由手套箱、裝飾條、飛濺物造成的儀表板氣囊爆破試驗(yàn)失效，并給出相應(yīng)的解決措施[8]。儀表板氣囊爆破試驗(yàn)，涉及零件裝配、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、焊接、注塑、弱化工藝等，儀表板氣囊爆破試驗(yàn)失效原因比較復(fù)雜，目前在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期對(duì)其問(wèn)題，尚不能完全規(guī)避，需要參考相關(guān)案例。本文通過(guò)研究?jī)x表板氣囊爆破試驗(yàn)中幾種典型失效形式案例，為其他車型儀表板的設(shè)計(jì)研發(fā)提供理論參考。
儀表板氣囊區(qū)部件及相關(guān)工藝
儀表板氣囊區(qū)部件對(duì)氣囊爆破有重要影響，主要包括儀表板上體和氣囊支架。儀表板上體經(jīng)過(guò)弱化工藝后，與氣囊支架進(jìn)行焊接工藝。弱化工藝和焊接工藝的優(yōu)良直接影響氣囊爆破試驗(yàn)效果。儀表板氣囊區(qū)部件及相關(guān)工藝如圖 1 所示。
儀表板氣囊靜態(tài)點(diǎn)爆試驗(yàn)流程
儀表板氣囊靜態(tài)點(diǎn)爆試驗(yàn)設(shè)備主要包括：
- 步入式恒溫箱(調(diào)溫范圍−35℃~90℃)、
- 高速攝像機(jī)(Nikon，Japan，5000 幀)、
- 點(diǎn)爆系統(tǒng)(Surefire, Canada)、白車身等
其主要流程：將儀表板總成安裝于白車身上后，放入已經(jīng)達(dá)到設(shè)定溫度的步入式恒溫箱中，存放 4 h 后，通過(guò)點(diǎn)爆系統(tǒng)箱內(nèi)靜態(tài)點(diǎn)爆氣囊模塊，同時(shí)高速攝像機(jī)將氣囊爆破的過(guò)程進(jìn)行拍攝并傳入到計(jì)算機(jī)中供分析。其試驗(yàn)條件主要分為 2 個(gè)因素，3 個(gè)水平，具體如下：溫度，−35℃、23℃、85℃，氣囊模塊，低壓模塊(UGL)、常壓模塊(NOM)、高壓模塊(OGL)。2 個(gè)因素 3 個(gè)水平組成氣囊爆破試驗(yàn)矩陣，氣囊靜態(tài)點(diǎn)爆試驗(yàn)流程如圖 2 所示。
典型失效模式分析與討論
儀表板表皮飛出
某項(xiàng)目發(fā)泡儀表板在低溫爆破試驗(yàn)中多次出現(xiàn)氣囊門乘員側(cè)(靠近乘客側(cè))表皮飛出問(wèn)題，如圖 3 所示，試驗(yàn)失效率約 60% (10 次試驗(yàn) 6 次失效)。
試驗(yàn)過(guò)程中表皮碎裂飛出可能與三方面有關(guān)：
一、激光弱化不當(dāng)使氣囊門沿弱化線打開(kāi)延遲導(dǎo)致表皮與泡沫分離，
二、表皮與泡沫粘接力不足使表皮與泡沫分離，
三、表皮在低溫條件下力學(xué)性能較差易撕裂。
因此，從這三個(gè)方面進(jìn)行分析驗(yàn)證
該項(xiàng)目?jī)x表板乘員側(cè)激光弱化通孔(RH)與盲孔(BH)個(gè)數(shù)比例為 7:3，如圖 4 所示。通過(guò)改變通孔與盲孔的個(gè)數(shù)比例來(lái)改變儀表板的弱化程度，進(jìn)而驗(yàn)證激光弱化是否是造成儀表板表皮飛出的主因，驗(yàn)證結(jié)果如表1所示。從表1可知，調(diào)整激光弱化通孔與盲孔比例對(duì)試驗(yàn)結(jié)果沒(méi)有改善，表皮仍會(huì)飛出。所以，激光弱化不是造成儀表板表皮飛出的主因。
通過(guò)調(diào)節(jié)泡沫的異氰酸酯與聚醚多元醇配比來(lái)提高表皮與泡沫間的粘接，但是相應(yīng)地會(huì)提高泡沫的硬度，使儀表板表面變硬。經(jīng)討論后，將表皮與泡沫之間的粘接力由10N提高到20N，進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。6次氣囊爆破試驗(yàn)中，僅有2次試驗(yàn)表皮飛出，試驗(yàn)失效率由60%降低為33%。表皮與泡沫粘接力不足是表皮飛出的重要原因。表皮的主要材料為PVC (聚氯乙烯)，通過(guò)添加增塑劑(鄰苯二甲酸酯)來(lái)改善表皮的力學(xué)性能。該儀表板表皮增塑劑含量公差為±0.5%，將增塑劑含量增加0.3%，接近含量上限，進(jìn)而提高表皮在低溫條件下的力學(xué)性能。此外，表皮與泡沫之間的粘接力提高至20N 進(jìn)行試驗(yàn)。在連續(xù)19個(gè)試驗(yàn)中，儀表板表皮均未飛出。因此，表皮與泡沫粘接力不足和表皮在低溫條件下力學(xué)性能較差是儀表板表皮在爆破試驗(yàn)中飛出的主要原因。
儀表板上體碎裂
某項(xiàng)目硬質(zhì)儀表板在低溫爆破試驗(yàn)中多次出現(xiàn)上體碎裂問(wèn)題，如圖 5 所示。上體碎裂的直接原因是在試驗(yàn)過(guò)程中，氣囊門與上體接觸，使上體損壞。由于儀表板造型設(shè)計(jì)及客戶要求的原因，爆破試驗(yàn)過(guò)程中氣囊門與上體接觸無(wú)法避免。因此，在碎裂區(qū)域，從上體材料的力學(xué)性能與上體的結(jié)構(gòu)兩方面來(lái)分析試驗(yàn)失效根本原因。上體的材料是 PP/PE-TD20 (聚丙烯與聚乙烯共聚物，含量為 20%的滑石粉)，其力學(xué)性能如表 2。從表 2 可知，各項(xiàng)指標(biāo)的檢測(cè)值均高于試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)值，因此，上體材料的力學(xué)性能符合要求。
圖 6 表示為氣囊區(qū)斷面圖，由圖可知，上體碎裂處，無(wú)風(fēng)道和氣囊支架支撐，該處強(qiáng)度較弱。經(jīng)討論，調(diào)整弱化線的位置，在爆破試驗(yàn)中使氣囊門與背部存在支撐結(jié)構(gòu)(吸能結(jié)構(gòu))的上體處相接觸進(jìn)行驗(yàn)證。連續(xù)進(jìn)行爆破試驗(yàn) 10 次，試驗(yàn)結(jié)果都合格。因此，上體碎裂的根本原因是氣囊門與上體發(fā)生撞擊時(shí)，上體缺少吸能結(jié)構(gòu)。
氣囊支架鉸鏈斷裂
某項(xiàng)目發(fā)泡儀表板在進(jìn)行低溫爆破試驗(yàn)時(shí)多次出現(xiàn)乘員側(cè)氣囊支架鉸鏈斷裂導(dǎo)致氣囊門飛出問(wèn)題，如圖 7 所示。本文主要從結(jié)構(gòu)和工藝兩個(gè)方面分析失效原因。氣囊支架為蝶形，弱化方式為注塑弱化，其結(jié)構(gòu)如圖 8 所示。由圖可知，氣囊門沿著弱化線展開(kāi)后，鉸鏈止斷筋可以終止氣囊門繼續(xù)撕裂，起到保護(hù)鉸鏈的作用。鉸鏈止斷筋的寬度對(duì)鉸鏈?zhǔn)欠癜l(fā)生斷裂有重要影響。該氣囊支架鉸鏈止斷筋的寬度為 5 mm，此寬度可能較小，不能有效保護(hù)鉸鏈，此外，儀表板泡沫層的硬度對(duì)鉸鏈?zhǔn)欠癜l(fā)生斷裂有影響，若硬度較高，氣囊門翻轉(zhuǎn)時(shí)鉸鏈處泡沫層不能被有效壓縮，鉸鏈承受拉力變大，鉸鏈易斷裂。該項(xiàng)目發(fā)泡儀表板發(fā)泡層硬度為 59 HA，硬度可能較高。因此，將鉸鏈止斷筋的設(shè)計(jì)寬度增加至 8 mm，同時(shí)通過(guò)調(diào)整泡沫澆注量使發(fā)泡層硬度降至 48 HA 進(jìn)行爆破驗(yàn)證。連續(xù)進(jìn)行爆破試驗(yàn) 6 次，試驗(yàn)結(jié)果都合格。
氣囊囊袋破孔
某項(xiàng)目發(fā)泡儀表板在高溫爆破試驗(yàn)中出現(xiàn)囊袋破孔問(wèn)題，如圖 9 所示。囊袋破孔主要與兩方面有關(guān)，一是試驗(yàn)過(guò)程中，囊袋與儀表板某尖點(diǎn)發(fā)生接觸形成孔洞，一是試驗(yàn)過(guò)程中，氣囊模塊自身的某些原因造成孔洞。從這兩方面進(jìn)行分析驗(yàn)證。將囊袋可能發(fā)生破孔的區(qū)域涂上染料后進(jìn)行爆破試驗(yàn)，試驗(yàn)后，儀表板未被染色，說(shuō)明在試驗(yàn)過(guò)程中，破孔區(qū)域未與儀表板接觸。囊袋破孔不是由儀表板造成的。
通過(guò)錄像分析，孔洞出現(xiàn)在折疊痕跡交匯處，此處在折疊好的囊袋中處于棱角位置，如圖 10 所示。高壓氣體沖入此區(qū)域打開(kāi)囊袋時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致此棱角破裂。此外，試驗(yàn)后部分囊袋內(nèi)表面附著用于封堵氣體發(fā)生器氣孔的鋁箔，如圖 11 所示。試驗(yàn)中鋁箔溫度較高，易燒傷囊袋，造成孔洞。因此，通過(guò)提高囊袋的織物密度來(lái)提高囊袋的力學(xué)性能與添加囊袋內(nèi)部隔熱布片使破孔區(qū)域?yàn)殡p層布片這兩方面來(lái)解決囊袋破孔問(wèn)題，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，連續(xù)進(jìn)行 6 次爆破試驗(yàn)，囊袋無(wú)破孔。
結(jié)論
通過(guò)介紹儀表板表皮飛出、儀表板上體碎裂、氣囊支架鉸鏈碎裂、氣囊囊袋破孔，四種氣囊爆破試驗(yàn)典型失效案例可以表明：對(duì)于發(fā)泡儀表板，提高表皮的性能、表皮與泡沫層的粘接力可避免表皮飛出，增加氣囊支架鉸鏈止斷筋的寬度會(huì)緩解鉸鏈斷裂。對(duì)于硬質(zhì)儀表板，上體存在吸能結(jié)構(gòu)可降低氣囊門撞碎上體的風(fēng)險(xiǎn)。增加囊袋織物密度和基布層數(shù)，會(huì)降低囊袋破孔的幾率。
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