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汽車安全氣囊氣體發(fā)生器的性能測(cè)試分析

文檔作者：屈豐1 胡敏2 文檔來源： 1.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司 2.湖南財(cái)政經(jīng)濟(jì)學(xué)院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年07月12日
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現(xiàn)代電子技術(shù)
Modern Electronics Technique 2014年11月1日
第37卷第21期Nov. 2014
Vol. 37 No. 21
0 引言
隨著人們生活質(zhì)量和生活水平的提高，人們對(duì)車輛
需求量不斷的增加，在車輛增加的過程中，交通壓力也
在增加，汽車安全技術(shù)受到了人們的關(guān)注。安全氣囊是
汽車安全系統(tǒng)的重要組成部分，決定安全氣囊作用的重
要設(shè)備是氣體發(fā)生器，而安全氣囊氣體發(fā)生器，影響著
安全氣囊的打開質(zhì)量，對(duì)汽車司乘人員的生命安全有直
接的影響。汽車安全氣囊的氣體發(fā)生器是氣囊組件中
十分重要和非常復(fù)雜的一部分，對(duì)整個(gè)安全氣囊能否可
靠地工作起著至關(guān)重要的作用。為確保汽車安全氣囊
能在外部沖擊下正常工作，須在常溫、高溫和低溫環(huán)境
下，通過對(duì)氣體發(fā)生器工作情況進(jìn)行反復(fù)測(cè)試，以保證
氣體發(fā)生器在常溫和非常溫環(huán)境下，在相應(yīng)使用年限范
圍內(nèi)能正常工作。
1 汽車安全氣囊的結(jié)構(gòu)及工作原理
在汽車安全裝置中，安全氣囊是由幾部分組成的，
其中包括了緩沖氣囊、氣體發(fā)生器、控制塊、碰撞傳感器
等[1]。汽車安全氣囊裝置中的緩沖氣囊，是一種可以承
受較大壓力的塑料制品，有較好的防裂性能，在汽車發(fā)
生碰撞后打開。氣體發(fā)生器的要求較高，為了保證汽車
駕駛?cè)藛T的生命安全，汽車安全氣囊氣體發(fā)生器需在
30 ms內(nèi)，將安全氣囊裝滿氣體，并且保證氣體發(fā)生器，
在安全氣囊中產(chǎn)生的氣體對(duì)人體無害，其次要保證其產(chǎn)
生的這些氣體沒有較高的溫度。在汽車安全氣囊裝置
中，氣體發(fā)生器產(chǎn)生的氣體需要具備穩(wěn)定性、可靠性等。
汽車安全系統(tǒng)中汽車安全氣囊裝置的簡單構(gòu)成如
圖1所示。
在汽車發(fā)生猛烈撞擊之后，汽車上的安全氣囊如圖2
汽車安全氣囊氣體發(fā)生器的性能測(cè)試分析
屈豐1，胡敏2
（1.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南長沙410012；2.湖南財(cái)政經(jīng)濟(jì)學(xué)院外語系，湖南長沙410205）
摘要：隨著人們對(duì)汽車需求的增大，汽車工業(yè)得到了前所未有的繁榮和發(fā)展。同時(shí)，汽車的安全性以及安全技術(shù)也
開始備受關(guān)注。安全氣囊氣體發(fā)生器的性能與安全氣囊的保護(hù)作用有直接的關(guān)系，起著至關(guān)重要的作用。氣體發(fā)生器的產(chǎn)
氣性能的高低，是通過在密閉的爆炸容器中進(jìn)行氣體爆炸的試驗(yàn)來檢測(cè)的。性能測(cè)試合格的氣體發(fā)生器能確保汽車發(fā)生碰
撞時(shí)安全氣囊的及時(shí)釋放，對(duì)提高汽車司乘人員的安全有益。通過測(cè)試分析汽車安全氣囊氣體發(fā)生器在不同氣壓環(huán)境和氣
體發(fā)生劑的燃燒速度和氣體生成時(shí)的性能變化，為汽車安全氣囊氣體發(fā)生器性能的提升和改進(jìn)提供參考依據(jù)。
關(guān)鍵詞：安全氣囊；氣體發(fā)生器；性能測(cè)試；安全保護(hù)
中圖分類號(hào)：TN61?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004?373X（2014）21?0159?04
Performance test for gas generator of automobile safety airbag
QU Feng1，HU Min2
（1. Changsha Institute of Mining Research Co.，Ltd.，Changsha 410012，China；
2. Department of Foreign Language，Hunan College of Finance and Economics，Changsha 410205，China）
Abstract：Along with the people′s increasing demand for vehicles，the automobile industry has been rapidly developed. At
the same time，vehicle safety and security technology equipments also began to be concerned. Properties of airbag gas generator
has a direct relation with the protective effect of airbag，and plays a crucial role in the vehicle safety. The gas production perfor?
mance of gas generator is tested by gas explosion experiment in confined explosion vessel. The qualified gas generator can en?
sure timely release of airbag when vehicles collide，and protect vehicle drivers and passengers. Through test and analysis on the
combustion velocity of air?producer and the performance variation of automobile safety airbag gas generator at different gas pres?
sure and gas generating agent when gas generates，a reference for the performance improvement of gas generator for automobile
safety airbag is provided.
Keywords：airbag；gas generator；performance test；security protection
收稿日期：2014?04?21
159
現(xiàn)代電子技術(shù)2014年第37卷
所示，會(huì)從方向盤中打開彈出，在方向盤和汽車司機(jī)之
間，產(chǎn)生一個(gè)緩沖效應(yīng)、隔離效應(yīng)，避免汽車司機(jī)的頭
部、胸部，與方向盤或者是其他硬物發(fā)生碰撞，如圖3
所示。
圖1 汽車安全氣囊裝置的簡單構(gòu)成
圖2 汽車安全系統(tǒng)中的安全氣囊
圖3 在安全氣囊作用下，交通事故發(fā)生時(shí)駕駛?cè)藛T損傷機(jī)制
汽車安全氣囊系統(tǒng)中的控制裝置，主要是在汽車發(fā)
生猛烈撞擊之后，接收傳感器傳輸?shù)男盘?hào)，將各種信號(hào)
信息顯示在微型計(jì)算機(jī)中，對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行分析、處理、
計(jì)算，確定是否需要啟動(dòng)安全氣囊。在汽車安全氣囊系
統(tǒng)中的碰撞傳感器，主要是對(duì)汽車的撞擊信號(hào)進(jìn)行檢
測(cè)，并對(duì)汽車產(chǎn)生的碰撞信號(hào)進(jìn)行判斷，將其檢測(cè)和判
斷后的信號(hào)，傳輸給控制裝置，進(jìn)而決定汽車碰撞程度
是否需要啟動(dòng)安全氣囊[2]。
2 汽車安全氣囊氣體發(fā)生器性能測(cè)試機(jī)制、組
成、原理
為了保證汽車駕駛員在汽車行駛過程中，發(fā)生猛烈
碰撞等交通事故下的生命安全，需要在汽車系統(tǒng)中安裝
安全氣囊。安全氣囊作為汽車組成部分中的關(guān)鍵組成，
在汽車駕駛員安全中發(fā)揮著重要的作用。對(duì)汽車安全
氣囊產(chǎn)生較大影響的是安全氣囊氣體發(fā)生器，氣體發(fā)生
器的性能，直接決定著安全氣囊的打開質(zhì)量，以及安全
氣囊作用的發(fā)揮。
在安全氣囊氣體發(fā)生器的性能測(cè)試中，使用密閉性
的氣筒壓力進(jìn)行壓力測(cè)試，通過壓力測(cè)試，對(duì)汽車安全
氣囊氣體發(fā)生器產(chǎn)生的氣體量、氣體燃燒速度等進(jìn)行判
定。為了保證測(cè)試實(shí)驗(yàn)的成功，充氣筒的體積設(shè)計(jì)成與
安全氣囊體積大小相同，在常溫、低溫下進(jìn)行壓力測(cè)試，
進(jìn)而保證汽車安全氣囊裝置中，氣體發(fā)生器可以適用
冬、夏氣候，并正常地工作。
在本次測(cè)試設(shè)計(jì)中，氣體發(fā)生器設(shè)計(jì)為機(jī)械式氣體
發(fā)生器，這個(gè)機(jī)械氣體發(fā)生器有多個(gè)組成部分，其中的
氣體發(fā)生劑燃燒，在單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的氣體量，由氣體
發(fā)生劑的燃燒速度和燃燒面積決定[3]。為了保證本次測(cè)
試的真實(shí)性，需要模擬汽車撞擊系統(tǒng)，利用充氣筒的壓
力傳感器，對(duì)氣體發(fā)生器產(chǎn)生氣體之后，產(chǎn)生的壓力變
化情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示。
1?底座2?導(dǎo)軌3?充氣筒提升架4?電磁機(jī)構(gòu)
5?壓力傳感器6?充氣筒7?藥盒內(nèi)傳感器8?產(chǎn)氣藥劑
9?加速度傳感器10?碰撞觸頭11?彈性緩沖墊
圖4 汽車安全氣囊性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置
汽車安全氣囊氣體發(fā)生器性能的測(cè)試，主要是通過
控制箱對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制，帶動(dòng)充氣筒沿著導(dǎo)軌進(jìn)行運(yùn)
動(dòng)，在充氣筒從一定高度落下時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一定的強(qiáng)度，這
個(gè)強(qiáng)度在（90±10）g，同時(shí)產(chǎn)生維持的時(shí)間在（10±5）ms
的信號(hào)，在這個(gè)過程中，模擬系統(tǒng)將觸動(dòng)充氣筒中的氣
體發(fā)生器。
汽車安全氣囊氣體發(fā)生器性能測(cè)試的原理為：使用
電磁控制機(jī)構(gòu)，將測(cè)試系統(tǒng)中的充氣筒提升到一定的高
度，然后進(jìn)行下落實(shí)驗(yàn)，使得系統(tǒng)中的碰撞觸頭與彈性
緩沖墊發(fā)生碰撞，對(duì)該碰撞發(fā)生之后產(chǎn)生的沖擊力的大
小進(jìn)行記錄，使用加速度傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)。當(dāng)產(chǎn)生的加
速度，滿足一定峰值和閾值要求后，在碰撞發(fā)生的過程
中，充氣筒內(nèi)部的氣體發(fā)生器將會(huì)觸發(fā)引爆，通過點(diǎn)火
信號(hào)，迅速地產(chǎn)生氣體，填充充氣筒。
在充氣筒中的氣體發(fā)生器引爆之后，會(huì)在一瞬間，
在充氣筒內(nèi)產(chǎn)生大量的高溫、高壓氣體，通過充氣筒中
的壓力傳感器，對(duì)充氣筒內(nèi)部的壓力變化進(jìn)行記錄，通
過信號(hào)轉(zhuǎn)換器，進(jìn)行處理，完成各項(xiàng)信號(hào)的處理之后，模
擬系統(tǒng)自動(dòng)地顯示各種參數(shù)，這些參數(shù)的氣體發(fā)生器在
充氣筒中產(chǎn)生的各種壓力值，模擬安全氣囊氣體發(fā)生器
系統(tǒng)，會(huì)對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行及時(shí)的分析、打印、存盤[4]。
3 汽車安全氣囊氣體發(fā)生器性能的測(cè)試分析
（1）加速度測(cè)試
針對(duì)模擬的汽車安全氣囊系統(tǒng)的性能測(cè)試模型，進(jìn)
160
2014年第37卷 現(xiàn)代電子技術(shù)
行5次不同高度的實(shí)驗(yàn)，加速度測(cè)試結(jié)果如表1所示。
表1 5 次不同高度下的加速度峰值
編號(hào)
1234
5
充氣筒下落高度h /mm
270
275
280
285
290
加速度峰值a /(g/m2)
73.53
80.45
86.47
95.17
100.37
時(shí)間t /ms
6768
6
由表1 數(shù)據(jù)得出，在充氣筒的下落高度為280 mm
時(shí)，加速度峰值為86.47 g/m2＜90，使用的時(shí)間為6 ms，
也在允許的范圍內(nèi)。當(dāng)充氣筒的下落高度為285 mm
時(shí)，產(chǎn)生的加速度峰值為95.17 g/m2，超過規(guī)定的氣體發(fā)
生器引爆臨界值。通過本次模擬安全氣囊氣體發(fā)生器
性能測(cè)試結(jié)果得出，汽車安全氣囊在汽車發(fā)生猛烈碰撞
之后，安全氣囊氣體發(fā)生器會(huì)迅速的發(fā)出信號(hào)，打開安
全氣囊。汽車發(fā)生碰撞的持續(xù)時(shí)間與安全氣囊的打開
速度，在汽車安全技術(shù)的要求范圍內(nèi)。
（2）常溫下的汽車安全氣囊壓力測(cè)試
從充氣筒下落的加速度測(cè)試為例，針對(duì)常溫下的壓
力測(cè)試也進(jìn)行5次實(shí)驗(yàn)，針對(duì)5次氣體發(fā)生器產(chǎn)生氣體
的壓力進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表2所示。
表2 常溫（25 ℃）下安全氣囊性能模擬測(cè)試中
發(fā)生器產(chǎn)生氣體的壓力測(cè)試結(jié)果
編號(hào)
1234
5
最大壓力
/kPa
299.32
274.58
265.52
282.45
303.34
壓力?時(shí)間曲線
斜率/（kPa·ms-1）
7.68
7.33
6.67
7.58
7.36
發(fā)生器內(nèi)最大
壓力/MPa
12.42
11.56
9.84
9.73
7.32
5 ms 斜率
/（kPa·ms-1）
9.42
9.43
9.95
8.86
9.37
通過對(duì)充氣筒中氣體發(fā)生器引爆后產(chǎn)生氣體，充氣
筒中的最大壓力、壓力?時(shí)間曲線斜率、氣體發(fā)生器內(nèi)最
大壓力等進(jìn)行分析，結(jié)果顯示，5 次實(shí)驗(yàn)的各項(xiàng)壓力相
關(guān)的指標(biāo)均在要求的范圍內(nèi)。
（3）高溫、低溫下的壓力測(cè)試
為了測(cè)試溫度對(duì)安全氣囊氣體發(fā)生器產(chǎn)生的影響，
分別在高溫下、低溫下進(jìn)行5次測(cè)試，測(cè)試時(shí)間為4 h，
結(jié)果如表3，表4所示。
從表2~表4中的數(shù)據(jù)得出，充氣筒中的氣體發(fā)生器
引爆之后，隨著溫度的升高，充氣筒中的壓力增加，在高
溫85 ℃下的壓力大于常溫25 ℃下充氣筒中的壓力，同
時(shí)也大于-34 ℃下充氣筒中的壓力。這種現(xiàn)象是因?yàn)?
氣體發(fā)生器中的氣體發(fā)生劑隨著溫度的升高內(nèi)能增加
的緣故，所以在充氣筒中氣體發(fā)生器的氣體產(chǎn)量與產(chǎn)氣
速度，隨著溫度的升高而增加[5]。
表3 高溫（85 ℃）下充氣筒中氣體發(fā)生器測(cè)試的壓力數(shù)據(jù)
編號(hào)
1234
5
充氣筒中最大壓力/kPa
322.65
297.34
304.97
343.64
306.98
壓力?時(shí)間曲線斜率/（kPa·ms-1）
9.34
7.48
8.69
8.44
7.52
表4 低溫（-35 ℃）下充氣筒中氣體發(fā)生器測(cè)試的壓力數(shù)據(jù)
編號(hào)
1234
5
充氣筒中最大壓力/kPa
225.68
237.21
252.67
226.45
244.77
壓力?時(shí)間曲線斜率/（kPa·ms-1）
6.22
5.03
5.33
6.66
5.83
在充氣筒中氣體發(fā)生器產(chǎn)氣速度計(jì)算公式為：
r = bpn （1）
式中：b 是氣體發(fā)生器中氣體發(fā)生劑的燃燒速度系數(shù)；
p 是燃燒時(shí)產(chǎn)生的壓力，單位為Pa；r 是氣體產(chǎn)生劑的
線性燃燒速度，單位為m/s。
汽車安全氣囊氣體發(fā)生器中的產(chǎn)氣藥劑的燃燒速
度與其燃燒壓力存在一定的關(guān)系，將公式（1）進(jìn)行對(duì)數(shù)
轉(zhuǎn)換后得出：
lg r = lg b + n lg p （2）
或者是：
lg r = b1 + n lg p （3）
將公式（3）中的lg r 看作是縱坐標(biāo)，而lg p 作為橫坐
標(biāo)，進(jìn)行二維空間作圖，可以得出lg r 與lg p 的關(guān)系如圖5
所示，圖中l(wèi)g r 與n lg p 形成的直線，斜率為n。
圖5 安全氣囊氣體發(fā)生器中產(chǎn)氣藥劑的
燃燒速度與壓力之間的關(guān)系圖
（4）安全氣囊氣體發(fā)生器中產(chǎn)氣藥劑的不同配方
比性能測(cè)試
針對(duì)不同產(chǎn)氣藥劑成本配比下的安全氣囊氣體發(fā)
生器的性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表5所示。
161
現(xiàn)代電子技術(shù)2014年第37卷
表5 不同配比下安全氣囊氣體發(fā)生器性能測(cè)試結(jié)果
產(chǎn)氣藥劑中
氧化劑成分
配比/%
點(diǎn)火時(shí)間/ms
峰值時(shí)間/ms
90%峰值時(shí)間/ms
峰值壓力/MPa
pH值
KNO3∶NH4NO3
8∶49
2.6
61.3
40.4
0.13
9.8
29.5∶19.5
1.8
40.5
20.3
0.21
11.2
KNO3∶Sr（NO3）2
11∶34
3.3
23.7
14.5
0.16
10.7
32.5∶11.5
3.3
20.4
14.7
0.18
11.2
NH4NO3∶Sr（NO3）2
20∶31
3.3
40.3
27.5
0.23
9.4
49.5∶8.5
3.6
80.2
57.4
0.16
7.7
通過以上測(cè)試的結(jié)果可得出以下幾個(gè)結(jié)論：
（1）氣體發(fā)生器中產(chǎn)氣藥劑成分不同，在安全氣囊
中產(chǎn)生的峰值壓力不同，產(chǎn)氣藥劑的點(diǎn)火時(shí)間也不同：隨
著產(chǎn)期藥劑中氧化劑KNO3含量的增加，產(chǎn)氣藥劑的燃燒
速度增加且pH值也增加。隨著產(chǎn)氣藥劑中NH4NO3含量
的增加，藥劑的燃燒速度變慢，但是其產(chǎn)氣效率將加
快。隨著產(chǎn)氣藥劑中Sr（NO3）2 含量的增加，氣體發(fā)生器
的產(chǎn)氣效率下降，pH值也下降。綜合進(jìn)行分析，安全氣
囊氣體發(fā)生器中產(chǎn)氣藥劑的選擇，選擇對(duì)Sr（NO3）2 與
NH4NO3 的含量進(jìn)行調(diào)整，使得產(chǎn)氣藥劑的性能提升[6]。
氣體發(fā)生器中產(chǎn)氣藥劑中的可燃成分為CH4N4O2，氧化
劑為Sr（NO3）2 與NH4NO3。
（2）合理地調(diào)整氧化劑的成分，可以提高氣體發(fā)生
器中的產(chǎn)氣效率，為安全氣囊的有效打開提供保障。
此外，在汽車安全氣囊氣體發(fā)生器的性能測(cè)試中，
還有很多測(cè)試，例如排氣性能、傳火藥性能、點(diǎn)火性能
等，這些性能的測(cè)試結(jié)果，能顯示出安全氣囊氣體發(fā)生
器性能的好壞和安全氣囊的打開質(zhì)量等內(nèi)容，這里不一
一贅述。
4 結(jié)語
隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，汽車擁有人數(shù)不斷地增加，
同時(shí)，交通壓力、交通擁塞現(xiàn)狀愈加嚴(yán)重，存在著一定的
安全隱患。在汽車的安全系統(tǒng)中，安全氣囊氣體發(fā)生器
發(fā)揮著重要的作用。安全氣囊性能的提高有賴于氣囊
的氣體發(fā)生器性能的提高，在汽車工業(yè)發(fā)展中，需要配
備測(cè)試合格的安全氣囊氣體發(fā)生器，以保證汽車安全氣
囊的質(zhì)量，提高汽車行駛的安全系數(shù)。
參考文獻(xiàn)
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作者簡介：屈豐（1969—），男，湖南長沙人，碩士研究生，高級(jí)工程師，長沙礦山研究院有限責(zé)任公司電焊機(jī)廠廠長。主要從事
企業(yè)管理和工業(yè)自動(dòng)化控制、氫能源設(shè)備的開發(fā)與研究工作。
速度在10 m/min內(nèi)，加速度可在300~600 mm/s2。
4 結(jié)語
本文使用LabVIEW 軟件建立了振動(dòng)測(cè)試平臺(tái)，并
在生產(chǎn)環(huán)境中使用，總結(jié)出幾種主軸壽命減少的情況。
如果在生產(chǎn)時(shí)減少這幾種情況的發(fā)生，可以在一定程度
增加主軸的壽命。
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作者簡介：麥啟明（1986—），男，廣東廣州人，助理工程師。主要研究方向?yàn)殡娮有畔?yīng)用技術(shù)。
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