側面氣簾評價方法的研究

王立民，田威，張斌

中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300

0 引言

側面氣簾是現代乘用車內重要的約束系統和被動安全保護裝置之一。特別是在柱碰、車對車側面碰撞和側翻等事故形態中，對車內乘員有著至關重要的保護作用。當車輛遭受側面碰撞和傾翻事故時，乘員整體或部分由車窗被甩出的危險性很高，乘員頭、胸、腹部和骨盆等部位也面臨著巨大的損傷風險。側面氣簾能有效降低乘員被拋出和頭部損傷的風險。據美國公路安全保險協會IIHS統計，車輛配備側氣簾后側面碰撞的死亡率降低了45%。

在研發階段對氣簾實施高效精準的評價能有針對性地幫助改善氣簾性能。側氣簾評價方法一方面使得氣簾單品的開發有章可依、有跡可循，還能幫助車企為廣大消費者提供更安全的氣簾產品和整車匹配效果，推動整個行業的進步。隨著標準的發展，側面氣簾評價方法及體系不斷豐富完善，各國或以法規的形式或在NCAP規程中加入側氣簾評價方法。氣簾的保護性能具體可分為以頭部損傷指標來體現的吸能性、以拋出緩沖性能來體現的保壓性和與整車結合的匹配性，氣簾評價方法基本圍繞這些具體性能制定。統觀各國標準，對于側氣簾性能的評價可分為基于整車碰撞試驗的動態評價和零部件級評價。

1 側面氣簾工作特性

氣簾通常在縱向上卷曲收縮成“布卷”狀，由螺釘固定在車頂側邊區域。圖1展示一組卷形疊袋的氣簾。與其他安全氣囊類似，其工作方式在于，當側碰傳感器收到足夠的碰撞信號后，控制器向氣體發生器發出點火信號。氣體發生器點爆后迅速產生大量氣體并在幾十毫秒內充滿整個氣簾。氣簾點爆并展開后，在車窗內部，從頂棚往下形成穩定且充滿彈性的充氣區域。該充氣區一方面能有效阻擋乘員被甩出車外，同時在乘員頭部與硬質危險源之間，如車窗玻璃、從側面侵入的硬柱或車輛、翻滾中經過的地面等，搭建彈性緩沖區域，防止頭部直接撞擊硬物，大大降低頭部損傷。

圖1 卷形疊袋氣簾

側面氣簾與其他安全氣囊的主要區別有以下3點：

(1)氣簾在縱向上的尺寸較大

氣簾通常由A柱貫穿乘員艙覆蓋至C柱，形成常見的“前后一體式氣簾”,對前后排乘員都能實施保護。

(2)氣簾上一般沒有泄氣孔

DAB、PAB和膝部氣囊上通常都有泄氣孔的存在。當乘員撞到這些氣囊上后，通過氣孔的排氣節流形成阻尼吸收乘員動能。而氣簾表面積較大，一般不再制造泄氣孔，反而需要選擇密封性好的簾布材質并改善加工工藝來提高氣簾保壓性能。

(3)氣簾上存在非充氣區域

氣簾上會根據需求設計出一定面積的非充氣區域。對整個氣簾來說，不是所有區域都必須充滿氣體，如乘員不易撞到的B柱附近。利用縫線、膠粘等工藝制造出非充氣區域，一方面為氣簾塑形，做出各位置的進氣通道，也使得氣簾在相同進氣量下能夠在需要的位置更快地形成更高的壓力值。

2 基于整車碰撞試驗的動態評價

基于整車碰撞試驗的動態評價需要借助實車碰撞試驗進行，如裝有可變形蜂窩鋁的臺車從側面撞擊試驗車和試驗車在飛行地板被拖拽撞擊剛性柱。通過這些試驗后得到的假人數據、視頻、照片等資料分析氣簾保護性能。

2.1 頭部傷害指標

頭部傷害指標(head injury criterion，HIC)是常用的評估側面碰撞假人的傷害指標，是各類碰撞試驗均會采集的基本試驗數據。在側碰試驗中，側面氣簾主要承接保護前后排假人頭部，能有效降低值。各類側面碰撞試驗中的值是氣簾性能的重要參考指標，體現了氣簾的吸收頭部沖擊能量的特性。表1列出了不同NCAP(new car assessment program)定義的側面碰撞類型。表2列出了不同法規定義的側面碰撞類型。

表1 不同NCAP定義的側面碰撞類型

表2 不同法規定義的側面碰撞類型

繼Euro NCAP之后，C-NCAP在2018版評價規程中引入了側氣簾評價，制定方法單獨對側面氣簾實施針對性檢測。該評價包括外觀尺寸、展開形態和動態保護3個方面，其中展開形態和動態保護依托側碰試驗開展。通過車載高速攝像，觀察氣簾展開期間氣簾與假人頭部、氣簾與車身上相鄰部件的相互關系。

2.2 展開形態

展開形態要求：氣簾在展開期間不能勾掛到車身內飾件；不能因氣簾劃到車身零件銳利邊緣而導致破裂；不能卡在頂棚或B柱上飾板內導致氣簾無法展開或展開延遲。氣簾在展開期間，頂棚等部件會被撐開，要求內飾件發生脫落或斷裂后，不應產生銳邊、尖角及毛刺等會傷害乘員的特征。側面碰撞發生時，車輛一方面受到外部劇烈沖擊，內飾也會受到來自內部，氣簾點爆時產生的沖擊。氣簾周邊的零部件可能出現脫落并在乘員艙內飛濺，如果飛濺物砸到假人會造成一定程度的二次傷害。C-NCAP要求側氣簾展開期間不能出現硬質飛濺物。允許出現軟質飛濺物，單片質量應不大于3 g，合計質量不超過5 g。

2.3 動態保護

假人頭部側面在指定位置涂有標準尺寸的油彩。通過視頻觀察碰撞期間假人頭部與氣簾的相對運動情況和接觸情況，并結合試驗后氣簾上顏色印記的照片，判斷假人頭部與氣簾的接觸位置是否落在充氣區域內。由于氣簾上存在一定面積的非充氣區域，如果在碰撞發生時，假人頭部沒有被充氣區域穩妥承接，反而砸向非充氣區域，那么氣簾則沒能發揮應有的保護效果。動態保護旨在從真實碰撞環境下，在整車層面上考察乘員與氣簾的匹配效果。

3 零部件級評價

3.1 靜態評價

一般來講，某種側碰試驗采用的假人基本固定。因此，基于實車碰撞的動態評價只能得到一種體征假人與氣簾的適配情況，還需要檢驗方法來評估氣簾對不同身材乘員的普適情況。C-NCAP側氣簾評價中的靜態評價給出了一種評價氣簾對更廣范圍乘員適用性的方法。首先應根據頭部質心換算公式得到乘坐該座椅下5th假人和95th假人頭部質心的坐標值(僅以前排為例)。

(1)

(2)

式中：Δ為座椅5th人體設計位置至座椅行程中間偏后20 mm的位置;Δ為座椅行程中間偏后20 mm的位置座椅至95 th人體設計位置。

由公式(2)計算出5th假人和95th假人頭部質心坐標后，根據圖2所示尺寸向外擴展，則得出理論評價區間，其中82 mm的設定來源于50th假人頭部半徑為82 mm。該區間從理論上涵蓋了體征尺寸在5th至95th內乘員頭部可能撞擊接觸到的范圍。

圖2 側氣簾頭部理論評價區間示意

利用側碰試驗后相對完好的非碰撞側，外接氣簾點爆線并手動點爆非碰撞側氣簾。借助專業測量軟件Polyworks和柔性三坐標測量儀掃描車窗玻璃膠條上邊緣和車門膠條內邊緣。兩線相交得到車窗的透光區域，這也是乘員最容易被甩出車外的區域。在展開后的非碰撞側氣簾上連接充氣設備和氣壓表后，將氣簾充氣至氣壓達到制造商推薦值。之后沿氣簾上非充氣區域的邊界線繼續掃描得到氣簾的外廓邊界線和內部非充氣區域的尺寸特征。

透光區域和圖所示理論評價區域在平面上投影后相交得到最終評價區域。該區域代表了乘員頭部最容易撞擊和甩出車外的區間。

側面氣簾應完整地覆蓋此區域，氣簾地外廓邊界不能小于此最終評價區域。此區域內部允許出現氣簾上設計的非充氣形狀，但尺寸應滿足下列要求：

(1)充氣區域間的接縫寬度不超過15 mm；

(2)非充氣區域的直徑不大于50 mm或等效面積不大于625π mm。

圖3展示了完整的氣簾靜態評價掃描線圖。

圖3 氣簾靜態評價掃描線圖

Euro NCAP中包含對側面氣簾靜態尺寸的評價，方法與C-NCAP基本一致。同時作為一種主觀評價項目，會通過試驗視頻和試驗后狀態對側面氣簾的展開情況進行檢查。ASEAN NCAP中同樣包含對氣簾的靜態尺寸評價，但在前排理論頭部保護區域的設定上與C-NCAP和Euro NCAP不同。ASEAN NCAP中規定，前排假人頭部質心投影到車身坐標系平面后，以此為基準沿軸車頭方向200 mm，沿軸向下160 mm后得到一個矩形區域，該區域與C-NCAP中的理論頭部評價區域類似，與車窗透光區域邊界線相交后得到的區域即為實際最終評價區域，如圖4所示。標準要求最終評價區域內應被氣簾充氣區域覆蓋，非充氣區域尺寸要求與C-NCAP和Euro NCAP一致。

圖4 ASEAN NCAP前排頭部保護區域

3.2 拋出緩沖性能檢測

據美國高速公路管理局NHTSA統計數據顯示，雖然美國翻滾事故發生率僅為2%～4%，但翻滾事故造成的死亡率卻超過30%。造成如此高死亡率的原因在于車輛翻滾期間，假人整體或部分被甩出車外。側面氣簾因其展開位置緊鄰車窗，對于防止乘員沖出車窗能夠發揮重要作用。2011年1月，NHTSA正式發布聯邦機動車安全標準FMVSS226，主要考察側面氣簾對固定沖擊頭型的緩沖限制能力。試驗中，18 kg的沖擊頭型由乘員艙內部向外發射，標準要求每個車窗應達到4個沖擊試驗位置，目的在于盡可能地覆蓋整個車窗，沖擊頭型的外表面不能超過零位移平面100 mm。試驗條件有以下兩種：

(1)氣簾展開1.5 s后，頭型以20 km/h的速度沖擊氣簾，對應快速翻滾工況;

(2)氣簾展開6 s后，頭型以16 km/h的速度沖擊氣簾，對應多翻滾工況。

影響氣簾拋出緩沖性能的因素主要有3點，分別是氣簾保護面積、氣簾內部壓力值和氣簾保壓性能。由于頭型沖擊位置的選擇會盡可能地考慮翻滾事故發生時頭部撞擊位置的隨機性，4個沖擊位置會按目標位置選取方法廣泛分布，覆蓋整個車窗，如圖5所示。如果氣簾充氣區域不夠，保護區域無法完整阻擋所有沖擊位置，則未能覆蓋位置的頭型偏移量可能會超出限值。

圖5 沖擊頭型撞擊位置

一般來講，氣簾內部壓力值越高，氣簾充氣區域的硬度越高，氣簾整體剛性越強，對于沖擊頭型的阻擋限制性能更好。然而過高的氣壓值會對假人頭部損傷情況帶來不利影響。假人頭部撞到過硬的氣簾上會導致值增高。在同一種氣簾形式下，氣簾壓力值的增高使得拋出緩沖性和頭部傷害值呈負相關。

考慮到氣簾表面積大，內部氣體泄漏會導致壓力值快速降低。而對于可能出現的外圈翻滾，需要氣簾能夠提供較長時間的保護，即充氣區域能在更長時間內維持一定的壓力值，為乘員提供持久保護。FMVSS226中規定了在氣簾點爆后6 s時的頭型沖擊試驗，目的也是考察氣簾的保壓性能，在點爆6 s后能否維持穩定氣壓阻擋頭型沖擊。

3.3 氣簾壓力保持測試

隨著汽車安全領域對翻滾工況的不斷重視和FMVSS226的推行，汽車廠商對氣簾保壓性能的重視程度越來越高。2021版C-NCAP也在2018版氣簾評價的基礎上引入了對氣簾保壓性能的評價。對于配置側面氣簾的車輛，若滿足FMVSS226或氣簾內部壓力保持性能要求，可獲得2分的加分。若參與評價的廠家選擇FMVSS226執行，則向C-NCAP管理中心提供相關報告審核即可。下面重點介紹氣簾壓力保壓測試的內容。

選取側碰試驗后的車輛，與18版直接點爆非碰撞側氣簾不同，點爆前要對氣簾進行一系列預處理工作，保壓性能測試具體操作流程如下：

(1)一般來講，需要先移除非碰撞側A、C柱飾板。

(2)在首尾兩端將卷曲的氣簾適當放下鋪平。

(3)找到氣簾前后第一個固定點，從該位置向下，在距縫線40 mm的位置開口。

(4)在前后開口處安裝氣管接頭及墊布、墊片、螺母等相關配件。

(5)在接頭位置充分涂膠密封后靜置12 h以上，使膠水充分凝固粘接，如圖6所示。

圖6 密封好的氣孔接口

(6)在氣管接頭上安裝導氣管，氣管另一端連接氣壓傳感器。

(7)連接數采、觸發同步器、點火器等設備，點爆氣簾的同時采集氣簾內壓力值。

圖7展示了氣簾保壓試驗設備連接簡圖。對采集的氣壓數據按CFC180進行濾波。氣簾在點爆后40 ms左右基本充氣完畢，因此將40～70 ms內壓力的平均值作為氣簾的工作壓力。按C-NCAP要求，若點爆后70～6 000 ms內氣壓的最小值大于工作壓力的50%，則認為保壓性能合格。

圖7 氣簾保壓試驗設備連接簡圖

圖8展示了某氣簾40～70 ms壓力曲線，圖9展示了同組數據0～6 s的內壓力曲線，圖10展示了同組數據的0～200 ms內壓力曲線。保壓測試評價方法與國際前沿檢測方法密切接軌，在一些參數的設置上直接對標FMVSS226。目前，歐洲尚無對氣簾保壓性能的檢測方法。

圖8 某氣簾40～70 ms壓力曲線

圖9 某氣簾0～6 s內壓力曲線

圖10 某氣簾0～200 ms內壓力曲線

結合圖9、圖10分析可得出下列氣壓曲線特征：

(1)氣簾點爆初期，壓力值出現極高的尖峰。此時氣簾整體進氣量不高，但是爆炸會對氣簾腔體產生極強的沖擊力，同時氣簾處于展開初始階段容積極小。兩種因素疊加造成壓力值較高的尖峰。氣簾制造商應控制此壓力峰值，避免因壓力的突變導致氣簾損壞。

(2)氣壓曲線在40 ms前波動劇烈，原因在于氣簾初始處于卷收狀態，隨著展開過程，氣簾腔體容積迅速擴大。因此，在前40 ms氣簾腔體處于進氣量和容積雙增長的狀態，同時這兩個變量的增長并非線性，導致前40 ms內氣壓曲線極不穩定。

(3)40 ms左右，氣簾基本展開完全，腔體內部容積處于穩定狀態。此時，隨進氣量的增加，氣壓值穩步增長至162 ms左右達到峰值。

某氣簾內部壓力衰減曲線如圖11所示。

圖11 某氣簾內部壓力衰減曲線

圖11展示了某氣簾內部氣壓從峰值開始衰減至6 s的曲線，從曲線形式上可以看出衰減曲線呈下凸樣式，氣壓衰減速率隨時間推移不斷降低。衰減速率與氣壓值呈正相關，即氣壓值越高衰減速率越高，氣壓越低衰減速率越低。衰減曲線整體較為平緩，衰減趨勢接近線性。連接曲線首末兩點得到氣壓曲線的線性擬合，可算出從峰值氣壓到6 s時刻氣壓衰減的平均速率。圖中虛線曲線為實測衰減曲線的指數擬合，可發現實測氣壓衰減曲線形式上與指數函數曲線更為接近。指數函數更能表征氣簾氣壓隨時間變化函數。

對實測氣簾氣壓衰減曲線微分處理后得到氣簾氣壓衰減速率曲線，如圖12所示。其中虛線曲線是根據高級濾波后的實測氣壓隨時間變化數據微分得到，雖然實際微分曲線不甚光滑，仍能觀察到氣壓衰減速率隨時間推移逐漸減小的趨勢。為該微分曲線匹配擬合曲線，發現與對數函數曲線形式最為匹配，圖中實線曲線為氣壓衰減速率對數擬合曲線。

圖12 氣簾氣壓衰減速率曲線

4 結束語

綜上所述，在氣簾開發階段，內部氣壓值的設計應綜合考慮拋出緩沖性能和假人傷害值來確定，不宜過低或過高。在此適宜工作氣壓的基礎上，增強氣簾的保壓性能，使氣簾提供持續穩定的壓力值。

分析氣簾氣壓隨時間變化數據發現，氣簾氣壓衰減曲線接近指數函數形式。氣壓衰減速率隨時間增長逐漸減小，氣壓衰減速率曲線接近對數函數形式。

隨著消費者對車輛安全性能的不斷重視和2018版C-NCAP的穩步實施，我國車輛側面氣簾的配置率越來越高。作為中國汽車行業安全領域檢測標準的引領者，C-NCAP在2018版的基礎上引入了氣簾保壓性能的評價，進一步豐富了側面氣簾評價體系，為氣簾開發人員提供新思路、新方法的同時，有力推動著我國汽車安全水平的進步。目前，2021版C-NCAP已經形成了靜態尺寸、展開形態、動態保護和保壓測試四位一體的側氣簾評價方法，對側氣簾性能的檢測更加完整，更加嚴格。