气囊起爆条件

气囊的起爆点和不起爆点是制订实车碰撞计划的最基本的依据。对系安全带和不系安全带的碰撞工况，气囊起爆的碰撞速度设置也不一样。中国法规和欧洲法规要求气囊和安全带一起使用，因此我们先从系安全带的条件开始设计气囊系统。在碰撞速度很低时，不用安全气囊，甚至不用安全带，都不会对乘员造成很大伤害，这时如果强行起爆气囊反倒有可能引起额外的气囊致伤，此刻的速度称为气囊不点火（No Fire）速度vNF。当碰撞速度超过某一个值时，安全带就不足以提供良好保护，这时就要用气囊辅助作用来降低乘员的伤害程度，主要是防止头部、胸部与方向盘和仪表板发生硬性碰撞，此刻的速度称为气囊点火（Must Fire）速度vMF。碰撞速度再提高的话，气囊也会失去保护作用，有、无约束系统的效果趋于接近。对介于vNF和vMF之间的速度，气囊不点火不会造成过度的磕碰伤害，气囊点火也不会引起太大的额外气囊冲击致伤，因此，在这段范围内气囊可以点火也可以不点火，称为“生物力学灰区”。

5.2.1.1　基准速度与等效伤害速度

不同障碍类别、不同碰撞速度，对同一个乘坐状态（同尺寸乘员，使用同一种安全系统，采用同一种坐姿）会产生不同的伤害指标。反过来，同一个伤害指标可以对应很多种不同障碍类别与不同碰撞速度的组合。我们把碰撞条件中获得相同伤害值的碰撞速度定义为“等效伤害速度”vEI（EI代表Equivalent Injury）。

汽车安全业界里一个比较常用的工程惯例是，如果乘员不佩系安全带，在正面刚性壁碰撞试验中，速度在13km/h（8mi/h）以下时安全气囊不应点火。在静止状态和轻微碰撞下，起爆气囊会对正常坐姿的乘员造成伤害。当碰撞速度在22km/h（14mi/h）以上时，安全气囊必须点火，否则可能引起头部和颈部伤害。13km/h、22km/h分别是这个碰撞条件下的vNF和vMF，13～22km/h这个区间叫作“生物力学灰区”，在此范围内，起爆气囊所带来伤害的降低或加重效果未知。这个速度区间内的碰撞称为“中等强度碰撞”，这个强度是安全气囊设计的分界区域。虽然佩系安全带是多数国家交通法规里的强制要求，但是安全带的佩系率远非100%，因此我们把上述两个速度下无安全带50百分位男性假人正面刚性壁试验条件定为横向比较的“基准碰撞条件”。

如果改变试验条件，如把刚性壁换为可变形软壁，由于碰撞波形发生了变化，vNF和vMF都将变为v′NF和v′MF，这个v′NF和v′MF就是将刚性壁转为柔性障碍的vEI，在这两种对应速度下，撞击能量和乘员伤害状态相当。在安全开发过程中，必须确定三个关键的气囊起爆条件判断点：不得起爆条件、低速碰撞应该起爆条件和高速碰撞必须起爆条件。在各种碰撞模式下，都有与此类似的与基准碰撞相对应的vEI。汇集等效速度，就会得到一张vEI列表，列出了对应于各种碰撞条件下不该起爆和必须起爆的碰撞速度值。有了初始的vEI列表之后，我们就可以在其中对一些最关注的项目进行试验。在这些vEI点上，可以进行碰撞动力学响应测试，考察气囊是否确实应该起爆。约束系统的触发传感器电控单元（ECU）的判断算法也要在这些临界碰撞速度点上进行标定，以决定发出点火指令或者决定抑制点火。

作vEI分析的准则是等伤害强度，为此首先要确定在基准碰撞条件下的伤害水平。然后，沿用13～22km/h生物力学灰区惯例，寻找其他碰撞条件下的等效伤害速度。

测量基准伤害时，可以选取脸部伤害和颈部伤害作为度量，也可以采用其他伤害值进行基准标定。在工程实践中，经常采用的一个评价方法是测定脸部伤害FFFL（Facial Fracture Load）。在灰区中，我们可以测得的FFFL一般为1.78kN（F=ma，50%百分位男性头部质量m=4.54kg）；颈部弯矩My为−59N·m。13km/h的vNF试验时伤害值会比这个低（见图5.1），22km/h的vMF试验时伤害值会比这个要高（见图5.2）。因此，用这个伤害值作为基准就可以确定其他碰撞条件下的不点火vEI-NF和点火vEI-MF。碰撞条件变量包括：不同的障碍类别、不同的乘员尺度、系/不系安全带、坐姿等。

图5.1　vNF检验

图5.2　vMF检验

高速碰撞时，由于碰撞强度大，乘员向前运动的速度更快，因此要求气囊起爆要更早，而能否及时起爆是高速碰撞保护的关键。在相同的速度下，不同的碰撞形式有不同的波形特征，乘员向前运动的规律不同，要求施加的气囊点火时间TTF（Time to Fire）不同。碰撞越猛烈，越要求气囊快速点火（见表5.6）。对于高速碰撞，我们也采用vEI的概念，但不是采用乘员伤害指标作为判据，而是采用气囊完全展开那一刻乘员是否能与气囊接触作为判据。把最普遍的50km/h正面刚性壁系安全带碰撞试验作为基准试验，在不同的碰撞条件下，能在同一时刻与气囊接触的碰撞速度，就是那个碰撞工况下的vEI。

表5.6　高速碰撞时的点火时间要求

造成高速点火vEI差异的因素同样有：不同的障碍类别、不同的乘员尺度、系/不系安全带、坐姿。

各种碰撞条件下，确定低速碰撞的vNF和vMF都在哪里，高速碰撞的TTF在哪里，需要进行多种碰撞试验条件的组合，这一系列的碰撞试验计划叫作“碰撞矩阵”。有了矩阵里的碰撞波形输出，气囊控制器的ECU才能进行点火算法标定。

为得出高速保护效果和低速点火决策的vEI，我们结合一个实际车型建立车体与假人的虚拟碰撞模型，输入不同的vEI差异因素，用插值方法寻找与基准试验对应的vEI。计算模型见图5.3，采用DANA版本971S7求解器，50百分位假人模型，在FAW SimWork™系统里运算。

图5.3　vEI计算基准模型

5.2.1.2　等效伤害速度vEI的计算

1）不同碰撞模式下的vNF和vMF分析

利用如图5.3所示模型，计算前方刚性壁不系安全带居中位乘坐的50百分位假人的伤害值，结果见图5.3。vNF由图5.3（a）模型运算，vMF由图5.3（b）模型运算。进行图5.3（b）模型运算时，不考虑起爆时间的影响，乘员与气囊接触之前气囊一直保持充气状态，接触之后按正常刚度特性进行压缩。保持其他条件不变，分别把正面刚性障碍（FRB）换成40%偏置吸能壁（ODB）、对中30mm直径柱撞、上骑碰撞（高于底盘最下点150mm的刚性障碍）等其他障碍形式的碰撞。部分vEI计算结果见表5.7。

表5.7　其他障碍必对应的点火与不点火等效伤害速度vEI

2）系安全带与不系安全带之间vNF和vMF的差异

在图5.3所示的基准碰撞计算条件上增加安全带，其他条件不变，模型见图5.4。计算结果见表5.8。

图5.4　系安全带乘员vEI计算模型

表5.8　安全带使用对vEI的影响

3）双级气囊的vNF和vMF差异

在低速碰撞中，由于碰撞能量较低，气囊起爆的时间也会比较晚，在起爆之前乘员已经向前位移到充分充气时的气袋包络线之内，这意味着气袋起爆以后会向乘员施加一个向后的打击力，被称为“近距伤害”。近距伤害在任何种类和任何强度的碰撞中都可能发生，但是最有威胁的是那些发生在∆v=40km/h（25mi/h）以下的碰撞事故（这些事故本来不会造成严重伤害，只会带来一些轻微伤害）。近距伤害是由近距坐姿引起的，主要是因为乘员身体不适或困倦而上身前倾，或者没系安全带，或者儿童座椅往前伸几乎接触到了前仪表板，或者是在事故前的剧烈刹车已经使乘员冲到了安全气囊模块附近。气囊冲击力会引起成人的头颈部伤害，严重时可以致死。历史上曾发生过近百起在低速碰撞中安全气囊起爆导致乘员死亡的事故，尤其是对非正常坐姿的儿童、矮小乘员和老人，而且这种事故目前仍然在持续发生。

在安装气囊的初期（20世纪70年代中期），气囊是为不系安全带的乘员设计的，在30～40mi/h的碰撞中可为乘员提供良好保护。随后的事故调查表明，在不发生车室严重变形的中等强度碰撞中，气囊对保护AIS3+级别的乘员伤害很有利，但是对保护AIS2+级别的乘员伤害有负面效果。根据美国NHTSA的研究，气囊伤害多发生在∆v=12mi/h（19km/h）左右的碰撞中，而在∆v=18mi/h（29km/h）之前，伤害值随∆v上升的变化并不大。最近，越来越多的人认为，在低速碰撞中起爆安全气囊是没有必要的。有很多厂家采用了不系安全带时12mi/h（19km/h）起爆、系安全带时18mi/h（29km/h）起爆的多重点火策略。

为了降低低速碰撞中的伤害，人们开发了双级气囊系统，目的是在18mi/h（29km/h）以下的碰撞中以使安全气囊更温和的方式起爆。

在图5.3所示的基准碰撞计算条件上改变气囊的起爆强度。模型中标准气囊改为双级起爆气囊，气体发生器的气罐试验压力输出曲线见图5.5，由图可知，随着Ⅱ级气囊起爆延时不同，Ⅰ、Ⅱ级之间的压力差也不一样。当延时为40ms时，Ⅰ级气囊的压力相当于Ⅱ级气囊的70%。其他条件不变，使用如图5.4所示模型。计算结果见表5.9。

图5.5　双级气囊特性

表5.9　双级气囊对vEI的影响

4）其他影响vNF和vMF的因素

利用图5.4所示模型，将基准条件设定为：刚性壁条件、系安全带、单级气囊、50百分位乘员、中间乘坐位置。观察改变其他条件对vNF和vMF的影响。

表5.10　其他条件对vNF和vMF的影响

5）不同条件下的vNF和vMF组合效应

上述各种对vNF和vMF的影响效果可以叠加，例如，使用安全带的同时采用70%能量Ⅰ级点火，将对vMF的提升产生双重效果。总结归纳见表5.11。

表5.11　vEI矩阵

表5.11主要关注碰撞障碍、安全带使用、起爆级别、预紧器使用等重要影响因素的组合，如果改变假人尺寸、座椅位置，可以同样得出相应的气囊起爆灰区vNF和vMF数值。上述分析只是一个导则。产品开发时，在数字化碰撞模型建立完成以后，可根据具体车型在上述导则的附近区域计算，找出本车的vEI矩阵。进行vEI计算时虽然还没有进行约束系统定义，但是可以用一般性约束系统模型进行试运算。如果CAE计算资源和速度有限，则可以参考表5.11进行vEI矩阵定义。

各国法规均应规定车辆的乘员约束系统要在什么碰撞速度范围内给乘员提供保护。例如，在0～50km/h的碰撞范围内给不系安全带的乘员提供保护，这就意味着在0～50km/h碰撞速度范围内的任何一个速度都不能有伤害。产品开发中，用精密扫描的方式检验产品的安全性。工业界通常这样处理：先寻找气囊发挥效能的下限及发挥正面效应和负面效应的界限，也就是上面所讨论的生物灰区vNF和vMF界限，即vEI矩阵。然后寻找气囊效能的上限，也就是能对乘员提供保护作用的最高速度，如果超过这个速度，则约束系统也爱莫能助。气囊性能上限与下限之间的表现一般不再特殊关注，默认为不会有异常表现。伤害灰区vEI矩阵由车辆生产企业根据自己的知识、理解和经验去决定，约束系统效能上限则由各地法规决定，二者综合在一起，就构成了一个完整的车型试验验证要求矩阵。