汽車副駕駛側(cè)氣囊框結(jié)構(gòu)的探究

姬秋云

上海汽車集團(tuán)股份有限公司乘用車公司 上海市 201804

1 引言

目前針對國內(nèi)安全氣囊系統(tǒng)而言依舊存在設(shè)計(jì)與實(shí)際生產(chǎn)差異較大、尺寸及匹配間隙不合格、后續(xù)工程更改量多、成本高等問題。因此，不斷優(yōu)化安全氣囊系統(tǒng)，不斷改進(jìn)安全氣囊框的結(jié)構(gòu)形式，從而實(shí)現(xiàn)安全性能更佳、制造成本更低、對環(huán)境影響更小、對整體儀表板系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置影響更小的氣囊框結(jié)構(gòu)是提高市場競爭力的有效手段。

2 金屬嵌件氣囊框的分析

2.1 結(jié)構(gòu)分析

在汽車輕量化的大趨勢下，工程塑料代替金屬原材料成為了汽車儀表板系統(tǒng)機(jī)構(gòu)的主要材料來源。氣囊框?qū)儆诎踩?，氣囊點(diǎn)

爆的瞬間需承受非常大的瞬間沖量的狀態(tài)下需保持不失效，而金屬相對于塑料強(qiáng)度更高、更穩(wěn)定的特性使氣囊框的材料未完全由工程塑料所代替。

為使金屬支架與塑膠結(jié)合得更好，防止在外力的作用下出現(xiàn)金屬支架與樹膠分離現(xiàn)象，在金屬支架表面加工等間距的沖切孔，孔邊緣設(shè)為滾花槽，以增加摩擦力。防止高低溫變化時(shí)，金屬支架與注塑結(jié)構(gòu)的材料熱膨脹系數(shù)不一致導(dǎo)致內(nèi)部殘余應(yīng)力無法釋放或開裂。氣囊點(diǎn)爆時(shí)，滾花槽結(jié)構(gòu)有效的抑制住了在氣囊門展開時(shí)塑料片體脫離金屬支架的風(fēng)險(xiǎn)。金屬嵌件氣囊框與氣囊的連接形式一般為螺釘連接。金屬嵌件自帶螺紋孔，螺紋孔的特征在注塑完成后依舊保持，在外部的塑料的包裹下，螺紋孔的特征的強(qiáng)度更強(qiáng)。

2.2 缺點(diǎn)分析

2.2.1 產(chǎn)品重量問題

智能化與輕量化是未來內(nèi)飾產(chǎn)品發(fā)展的主要趨勢。智能化本文不多贅述，人們對內(nèi)飾產(chǎn)品輕量化的執(zhí)著使化學(xué)發(fā)泡工藝、Mucell工藝等技術(shù)得到普及。金屬嵌件氣囊框作為內(nèi)飾產(chǎn)品的一部分，金屬支架占比過大、重量過重的問題無法避免。

2.2.2 金屬耐腐蝕性能差問題

嵌件注塑工藝并不能使塑膠完全包裹住金屬支架，外露部分的金屬在長期受到腐蝕性氣體，潮濕氣體的侵蝕下存在失效風(fēng)險(xiǎn)。

采用主題詞與自由詞相結(jié)合的方式，計(jì)算機(jī)檢索EMbase、PubMed，中國生物醫(yī)學(xué)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫（CBM）、中國學(xué)術(shù)期刊全文數(shù)據(jù)庫（CNKI）、維普中文科技期刊數(shù)據(jù)庫（VIP）和萬方等數(shù)據(jù)庫，收集卡貝縮宮素注射液對比縮宮素注射液用于預(yù)防產(chǎn)后出血的隨機(jī)對照研究，檢索時(shí)限均從2000年1月—2017年12月。中文檢索詞為：卡貝縮宮素，縮宮素，產(chǎn)后出血，不良反應(yīng)，中國人群。英文檢索詞為：carbetocin，oxytocin，postpartum hemorrhage，ADR。

2.2.3 成本高

金屬嵌件氣囊框中的金屬支架直接影響其成本。金屬支架的結(jié)構(gòu)的特殊性導(dǎo)致金屬鈑金原材料利用率不足50%，其余都需要沖切掉，導(dǎo)致成本上升。除去原材料的成本，其制造成本也使不容忽視的。制造成本包括制造廢品率、制造工時(shí)、設(shè)備工裝的投資等。金屬嵌件氣囊框的工藝涉及到焊接設(shè)備、自動化機(jī)械手、模具工裝等高額工裝的投入，變相地增加了氣囊框的單件成本。

2.2.4 制造精度要求高

金屬嵌件氣囊框的生產(chǎn)屬于全自動化生產(chǎn)，全自動化生產(chǎn)對外界因素的穩(wěn)定性要求較高。外界因素包括氣囊支架尺寸的不一致性，定位的不一致性，機(jī)械手取放過程的不穩(wěn)定性等。模具及機(jī)械手本身存在的制造公差，金屬支架的制造公差，金屬支架擺放的位置公差等所有公差的積累，使制造的各步驟精度要求要高于其他產(chǎn)品。

3 掛鉤式氣囊框的探究

3.1 結(jié)構(gòu)分析

金屬嵌件氣囊框必然要由重量更輕、成本更低、制造工藝更簡便的新型氣囊框所替代。下文主要探究在保留金屬嵌件氣囊框開啟原理的前提下，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使其滿足輕量化與低成本化的要求。

（1）新式氣囊框要滿足重量輕的條件。金屬嵌件氣囊框由金屬支架與注塑原材料組成。金屬的密度遠(yuǎn)高于注塑原材料的密度，金屬支架的存在使得金屬嵌件氣囊框重量較重。金屬支架與氣囊框的結(jié)合部分需增加產(chǎn)品壁厚，并在周圍增加筋位結(jié)構(gòu)，以保證金屬支架與主塑料的融合強(qiáng)度，防止氣囊門在氣袋的沖擊下，金屬支架與塑膠的分離。產(chǎn)品壁厚的增加與筋位數(shù)量的增加也變相地增加了產(chǎn)品重量。取消金屬支架，將氣囊支架的制造形式更改為普通注塑形式可解決重量過重問題。沒有了金屬支架的加強(qiáng)功能，氣囊點(diǎn)爆時(shí)存在由塑料氣囊門強(qiáng)度不足而導(dǎo)致氣囊門斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。注塑原材料本身強(qiáng)度不足的性質(zhì)缺陷可通過結(jié)構(gòu)的優(yōu)化而彌補(bǔ)。氣囊點(diǎn)爆后氣囊門打開時(shí)，氣囊門受力是均勻的。

氣囊門沿弱化槽撕裂后，氣囊門氣囊門主要所受的力分為氣袋膨脹給予氣囊門的均勻的壓力與氣囊門做高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動所帶來的離心力。氣囊完成爆破的時(shí)間單位是毫秒級。氣囊門旋轉(zhuǎn)的角速度非常高，由公式f=w2r（其中w為角速度，r為旋轉(zhuǎn)半徑），可得弱化槽撕裂區(qū)到氣囊旋轉(zhuǎn)軸的受力大小由指數(shù)形增加，旋轉(zhuǎn)軸區(qū)域受力最大。

氣囊門展開時(shí)最易失效斷裂的區(qū)域?yàn)闅饽议T的受力最大區(qū)域-旋轉(zhuǎn)軸區(qū)域。為防止旋轉(zhuǎn)軸區(qū)域斷裂失效，在旋轉(zhuǎn)軸區(qū)域增加緩沖帶-塑料鉸鏈機(jī)構(gòu)。

其最大的特點(diǎn)為在氣囊門開啟時(shí)起到緩沖作用。氣囊門旋轉(zhuǎn)時(shí)不會將離心力直接施加于氣囊旋轉(zhuǎn)軸上，而是施加至塑料鉸鏈機(jī)構(gòu)上。鉸鏈在受到氣囊門旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的離心力時(shí)，會由卷曲狀變?yōu)樯熘睜?，而氣囊門完成開啟與塑料鉸鏈完成拉伸這一時(shí)間相吻合就得以實(shí)現(xiàn)對旋轉(zhuǎn)軸的保護(hù)作用，減少斷裂風(fēng)險(xiǎn)。氣囊門完成開啟時(shí)，高速拍打在儀表板區(qū)域，直接完成動能對熱能的轉(zhuǎn)換，無其他隱患。

圖2 掛鉤式氣囊框示意圖

（2）成本的節(jié)約。在受到其他內(nèi)飾產(chǎn)品中卡扣的卡接這一連接方式的啟發(fā)，將儀表板與氣囊框的連接形式由焊接式更改為掛鉤式。在儀表板的氣囊區(qū)域增加對應(yīng)的裝配貫穿孔，氣囊框正向裝配至儀表板中。氣囊框的底端增加倒扣式倒三角結(jié)構(gòu)，三角結(jié)構(gòu)為導(dǎo)向槽式結(jié)構(gòu)，沿卡接方向的卡接坡度較小，卡接力小，實(shí)現(xiàn)卡接方便。而沿反向坡度為懸崖式，實(shí)現(xiàn)倒扣式結(jié)構(gòu)，無法在外力的作用下脫落。

（3）制造工藝的簡單化。氣囊框的掛鉤式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)取消了繁瑣的鑲嵌注塑過程，包括金屬支架的擺放、機(jī)械手的抓取與定位過程、重量的測量過程。掛鉤式結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)將氣囊框與儀表板的連接形式簡化為卡接，直接將氣囊框?qū)?zhǔn)儀表板的相應(yīng)孔位，將氣囊框用力按壓卡接至儀表板即可。

3.2 優(yōu)缺點(diǎn)分析

掛鉤式氣囊框優(yōu)點(diǎn)非常明顯。相比于金屬嵌件氣囊框，掛鉤式氣囊框?qū)崿F(xiàn)了輕量化與低成本化?？朔藲饽铱蛑亓窟^重，成本高，制造工藝復(fù)雜的問題。

然而掛鉤式氣囊框?qū)儆谕庥^面，與儀表板的配合方式為卡接方式，儀表板定義為發(fā)泡工藝時(shí)，發(fā)泡填充過程中在儀表板與氣囊框間隙配合區(qū)域存在發(fā)泡料漏料風(fēng)險(xiǎn)。掛鉤式結(jié)構(gòu)對氣囊框與儀表板骨架的配合要求較高。在一定的配合間隙條件下發(fā)泡填充壓力過大會出現(xiàn)發(fā)泡料在氣囊區(qū)域漏料問題，而發(fā)泡壓力過小，則存在發(fā)泡料在儀表板邊界區(qū)域填充不滿或儀表板手感過軟的問題。這對于掛鉤式氣囊框結(jié)構(gòu)的布置、前期階段變形分析以及后期的工藝調(diào)試要求較高。

4 結(jié)語

儀表板副駕駛側(cè)氣囊框作為乘客側(cè)安全氣囊的載體，汽車發(fā)生正面碰撞事故時(shí)，起到承受氣囊爆破反向作用力的作用。汽車內(nèi)飾輕量化的發(fā)展過程中，重量更輕的氣囊框結(jié)構(gòu)替代傳統(tǒng)重量較重的金屬嵌件氣囊框是大勢所趨。

本文主要對副駕駛側(cè)現(xiàn)有氣囊框結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，對現(xiàn)有氣囊框結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)之上對其升級。在保證安全性能的前提下，實(shí)現(xiàn)了輕量化與低成本化的要求，從根本上解決了金屬嵌件氣囊框無法逾越的障礙。目前掛鉤式氣囊框的結(jié)構(gòu)還不夠成熟，涉及到細(xì)節(jié)的結(jié)構(gòu)與尺寸、相應(yīng)的制造工藝還未成熟，需要批量生產(chǎn)驗(yàn)證。