宋志強(qiáng) 曹立波 喻志強(qiáng)

（湖南大學(xué)；汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

汽車用安全氣囊的應(yīng)用提高了汽車的碰撞安全性，但也存在較大安全隱患。氣囊以爆炸般的速度彈出，對(duì)離位乘員及兒童可能產(chǎn)生嚴(yán)重傷害；氣體發(fā)生器所產(chǎn)生的充氣氣體溫度高達(dá)200～300℃，會(huì)灼傷乘員面部[1-3]，因此，研究開(kāi)發(fā)一種經(jīng)濟(jì)而又更安全的新型汽車氣囊成為汽車業(yè)界的需求。針對(duì)傳統(tǒng)式安全氣囊充氣時(shí)間較長(zhǎng)以及充氣爆炸時(shí)可能對(duì)人體造成灼傷的缺點(diǎn)，文章研究了新型吸氣式安全氣囊。

1 新型吸氣式安全氣囊介紹

新型吸氣式安全氣囊是指吸氣式充氣器利用引爆火藥后瞬間產(chǎn)生的高速氣流造成康達(dá)效應(yīng)，產(chǎn)生負(fù)壓區(qū)域來(lái)將外界周圍的空氣吸入氣囊內(nèi)，并與引爆后的氮?dú)膺M(jìn)行充分混合，以快速充入氣囊，從而可以增加充氣的氣體質(zhì)量流率，縮短充氣時(shí)間。周圍的空氣成為了進(jìn)入安全氣囊的主要充氣源，因此可以減少火藥使用量并降低引爆后的充氣溫度，具有充氣溫度低和攻擊性弱等突出優(yōu)點(diǎn)，可彌補(bǔ)傳統(tǒng)式安全氣囊的缺點(diǎn)。

2 新型吸氣式安全氣囊研究歷程

在新型吸氣式安全氣囊的發(fā)展過(guò)程中已有多位專家學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了基礎(chǔ)性的研究分析，如文獻(xiàn)[4-5]曾用Euler及Navier-Stokes（納維葉-斯托克斯）方程求解以近聲速或者超聲速的速度噴流出口的黏性流場(chǎng)。在20世紀(jì)80年代，文獻(xiàn)[6-9]分別發(fā)展運(yùn)用了數(shù)值模擬、flux-splitting法、the lower-upper implicit方法、LU factorization scheme等方法對(duì)近聲速擴(kuò)散的黏滯流場(chǎng)和非黏滯流場(chǎng)進(jìn)行求解，并用試驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證，都得到了較好的效果。在20世紀(jì)90年代，文獻(xiàn)[10-13]使用k-ε模式研究了軸對(duì)稱與非軸對(duì)稱的可壓縮與不可壓縮紊流場(chǎng)有極佳的結(jié)果，因?yàn)楦邏簹怏w經(jīng)噴嘴加速后流入充氣管與吸入的低氣壓混合，使流場(chǎng)形成紊流模式。在2002—2011年，文獻(xiàn)[14-17]利用計(jì)算機(jī)數(shù)值分析方法及流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算Fluent軟件對(duì)吸氣式充氣器進(jìn)行設(shè)計(jì)與模擬分析，分析了吸氣式安全氣囊系統(tǒng)中流場(chǎng)振波效應(yīng)、吸氣口溫度、高壓入口壓力以及不同幾何尺寸參數(shù)對(duì)吸氣效率的影響。新一代吸氣式安全氣囊系統(tǒng)的概念由美國(guó)安全氣囊創(chuàng)始人之一的David Breed先生在其專利中提出[18]，其后，經(jīng)與臺(tái)灣創(chuàng)盟科技股份有限公司合作，在2013年對(duì)開(kāi)發(fā)出的首個(gè)樣件在中國(guó)第一汽車集團(tuán)公司技術(shù)中心進(jìn)行了試驗(yàn)。

由于影響吸氣式安全氣囊吸氣效率的因素較多，主要包括吸氣式充氣器的尺寸、噴嘴的幾何形狀、噴嘴噴入的流場(chǎng)速度、周圍環(huán)境的溫度和壓力以及噴嘴的安裝位置等，因此需要針對(duì)這些關(guān)鍵因素進(jìn)行深入研究分析并加以探討。

3 吸氣式安全氣囊的工作原理

吸氣式充氣器將引爆后的高壓氣體經(jīng)噴嘴以近聲速或者超聲速的紊流流場(chǎng)噴出，則在其周圍會(huì)形成低壓區(qū)域，從而吸引外界的冷空氣通過(guò)進(jìn)氣道進(jìn)入氣囊，與引爆后的高溫高壓氣體進(jìn)行混合，傳遞能量，達(dá)到降溫的效果，并快速充入氣囊，從而可以增加充氣的氣體質(zhì)量流率。根據(jù)康達(dá)效應(yīng)，高壓氣體經(jīng)由噴嘴加速成超聲速氣流時(shí)，會(huì)產(chǎn)生局部真空區(qū)域，使高速氣流緊貼壁面，外界周圍的空氣可以順利流入。

吸氣比是指吸入外界的空氣質(zhì)量流率與高壓引爆的氣體質(zhì)量流率的比值。吸氣比是衡量吸氣式安全氣囊充氣效果的重要指標(biāo)，當(dāng)吸氣比較大時(shí)，表示從外界吸入的空氣占進(jìn)入氣囊總氣體量的比例較高，則通過(guò)火藥引爆后產(chǎn)生的氣體比例就小。因此在總氣體量一定的情況下，混入較多的外界空氣量使氣囊充氣展開(kāi)時(shí)的溫度較低，減少了對(duì)乘客的灼傷傷害。

吸氣量的多少是影響安全氣囊能否在合適時(shí)間內(nèi)完全展開(kāi)并有效保護(hù)乘員的重要因素，傳統(tǒng)式安全氣囊在引爆火藥后的充氣時(shí)間一般為45～50 ms，展開(kāi)速度較慢，乘員可能會(huì)在氣囊沒(méi)有完全展開(kāi)時(shí)與之接觸，導(dǎo)致乘員嚴(yán)重受傷[19]。而新型吸氣式安全氣囊采用多腔引爆的方式，在氣囊彈開(kāi)的瞬時(shí)吸入外界的空氣與引爆后的氣體一起充入氣囊，可縮短氣囊彈開(kāi)的時(shí)間；在充氣的過(guò)程中，以低溫低壓的外界空氣與引爆的氣體的混合氣充氣，降低充氣溫度，改善充氣時(shí)間，來(lái)更好地保護(hù)乘員。

新型吸氣式安全氣囊在展開(kāi)的過(guò)程中同傳統(tǒng)式安全氣囊一樣，同樣經(jīng)歷氣囊彈開(kāi)階段、氣囊充氣階段以及乘員與氣囊接觸得到保護(hù)的階段，圖1示出氣囊起作用過(guò)程中內(nèi)部壓力的變化。

圖1 吸氣式安全氣囊工作過(guò)程中內(nèi)部壓力變化曲線圖

4 吸氣式充氣器的物理模型

吸氣式充氣器的物理模型，如圖2所示。吸氣式充氣器可根據(jù)安裝的位置設(shè)計(jì)為圓筒狀或碟形，在圓筒狀的充氣器內(nèi)，爆炸后的高壓氣體由側(cè)邊的環(huán)狀溝槽噴嘴噴入氣囊，外界空氣通過(guò)中央進(jìn)氣管被吸入并與高壓噴射氣體混合成低溫度的氣體，然后流出充氣器的出口迅速充入氣囊。

圖2 吸氣式充氣器結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用安裝的空間及為安全氣囊提供足夠的充氣量，研究側(cè)邊的環(huán)狀溝槽噴嘴間隙寬度為2 mm或1 mm，中央進(jìn)氣道直徑為28 mm或29 mm，噴嘴噴射的角度為10，15，20°的吸氣式充氣器充氣效果與流場(chǎng)分布情形，以符合實(shí)際應(yīng)用的要求。

吸氣式充氣器的噴嘴幾何參數(shù)對(duì)吸氣效率的影響重大，噴嘴出口流場(chǎng)是一個(gè)極其復(fù)雜的高速紊流流場(chǎng)，可將模型假設(shè)為軸對(duì)稱形式，氣體假設(shè)為理想氣體，對(duì)不同幾何參數(shù)組合的吸氣式充氣器的參數(shù)設(shè)定，如表1所示，然后進(jìn)行仿真計(jì)算。

表1 不同幾何參數(shù)組合的吸氣式充氣器

根據(jù)文獻(xiàn)[15-17]模擬計(jì)算仿真所得的結(jié)論為：1）高壓氣體噴入的壓力大小會(huì)影響到吸入外界周圍的空氣質(zhì)量流率，噴入的壓力越大則吸入外界的空氣質(zhì)量流率就越大，因此總的進(jìn)氣質(zhì)量流率越大。2）外環(huán)形側(cè)邊槽寬與吸入空氣的中心通道直徑的比值較大時(shí)，則有較大的總進(jìn)氣質(zhì)量流率；如果該比值較小，則有較佳的吸氣比；因此，此值對(duì)氣囊的充氣狀態(tài)影響重大，需要根據(jù)實(shí)際的氣囊保護(hù)效果來(lái)進(jìn)行最佳設(shè)計(jì)。3）由數(shù)值仿真結(jié)果可以得到，吸入外界的空氣質(zhì)量流率為引爆后噴入的高壓氣體質(zhì)量流率的2～5倍，吸氣比的效果很好。4）由于引爆后的高壓氣體經(jīng)過(guò)噴嘴加速后噴入氣囊，在接近壁面處產(chǎn)生康達(dá)效應(yīng)，使充氣器內(nèi)部形成低壓區(qū)，因此可以吸入外界的空氣。5）由數(shù)值仿真分析可知，高壓氣體噴入的角度對(duì)總氣體質(zhì)量流率及吸氣比的影響較小。

5 結(jié)論

文章主要介紹了新型吸氣式安全氣囊的工作原理、發(fā)展歷程、物理結(jié)構(gòu)模型及結(jié)構(gòu)參數(shù)。由于其吸氣過(guò)程是高壓氣體經(jīng)噴嘴以近聲速或者超聲速的紊流流場(chǎng)噴出，會(huì)形成局部的低壓區(qū)域，從而吸引外界的冷空氣通過(guò)進(jìn)氣道進(jìn)入氣囊，故充氣器的結(jié)構(gòu)參數(shù)（主要包括噴嘴與進(jìn)氣道的尺寸大小、引爆的高壓氣體噴入進(jìn)氣道的角度及氣體噴入的壓力和速度）對(duì)吸氣比、吸氣量、壓力分布及速度分布等吸氣效果有嚴(yán)重的影響。同時(shí)，新型吸氣式安全氣囊在充氣過(guò)程中，以低溫低壓的外界空氣與引爆的高溫高壓氣體的混合氣充氣，降低了充氣溫度，縮短了充氣時(shí)間，可以更好地保護(hù)乘員。因此，新型吸氣式安全氣囊將具有廣闊的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。文章的研究將進(jìn)一步推動(dòng)新型吸氣式安全氣囊的發(fā)展。下一步計(jì)劃利用計(jì)算流體力學(xué)軟件對(duì)不同幾何參數(shù)組合的吸氣式充氣器進(jìn)行仿真計(jì)算，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)更合理的吸氣式充氣器，使之達(dá)到更好的充氣效果。