传感器位置对Tank试验的影响研究

传感器位置对Tank试验的影响研究摘要：气体发生器是汽车安全气囊系统中的核心部件，其性能决定了安全气囊系统的应急使用性能。气体发生器的性能一般是通过气体发生器Tank试验(密闭容器试验)中P—t曲线(压力一时间曲线)表征。本文分析了P—t曲线上的一些特征点的意义；通过试验研究了发生器出气口和传感器相对位置变化，对P—t曲线中最大压力Pmax和压力起始时间TTFG的影响。

关键词：气体发生器，Tank试验，P—t曲线，传感器

0引言

作为乘员约束系统重要组成部分的汽车安全气囊系统，能够在汽车发生碰撞时有效地保护乘员[1,2]。汽车安全气囊系统由传感器、控制器、气体发生器、气囊等部分组成[3]。气体发生器是安全气囊系统的核心部件，它以适当的速度和质量流率，产生适量的气体充满气袋，从而保护驾乘人员[4]。气体发生器是气囊系统中非常重要而又复杂的组成部分，其性能好坏和可靠性直接关系到最终的保护效果[5]。

通常，气体发生器向安全气囊充气的特性采用Tank试验来评价。Tank试验系统主要由压力罐、传感器、点爆系统、数据采集系统和计算机组成。气体发生器密封固定于一定容积（一般为60L或23.8L）压力罐中[6]，通过点爆系统将气体发生器激活并释放气体，传感器采集压力罐内的压力变化，经过数据采集系统和计算机分析，输出为易识别的数据表格和曲线图。在AK-LV标准中，规定了测试传感器不能正对气体发生器的出气口[7]，但并未对气体发生器出气口和传感器的相对距离、传感器距压力罐内壁距离进行规定。本文主要研究气体发生器出气口和传感器的相对位置对Tank试验中P—t曲线的影响。

1实验方案设计

发生器和传感器的相对位置包括轴向和径向，通过设计传感器沿压力罐外壁排列位置和发生器固定位置，实现发生器出气口和传感器轴向位置相对变化。如图1所示，A、B、C、D分别为传感器安装在压力罐外壁的位置，1、2、3分别为固定在压力罐中的气体发生器出气口位置；A、C、D相对罐体中心对称分布；B和C处于同一水平线，成中心线对称分布；1、2、3从压力罐上沿以200mm等距分布。

图1发生器出气口和传感器相对位置示意图

Fig.1Theschematicdiagramoftherelativepositionbetweentheoutletofgasgeneratorandthesensors

通过设计传感器与压力罐内壁之间的距离变化，实现发生器出气口和传感器径向距离相对变化。如图2所示，B位置传感器直接与压力罐外壁通过螺纹相连，传感器测试端与压力罐内壁平齐。如图3所示，除B以外其它三个位置的传感器通过转接头和堵头连接到压力罐接通到内部，传感器测试端距压力罐内壁为150mm。

图2B位置传感器与压力罐相连示意图

Fig.2TheschematicdiagramofthesensorofBpositionattachedtopressuretank

图3A、C、D位置传感器与压力罐相连示意图

Fig.3TheschematicdiagramofthesensorofA、CandDpositionattachedtopressuretank

试验中有三个变量，分别是气体发生器固定位置、传感器沿压力罐轴向排列位置、传感器测试端距压力罐内壁距离。针对三个变量设计交叉试验，如表1所示。代号1A、1C、1D研究气体发生器位置不变时，传感器轴向位置不同对P—t曲线的影响；代号1D、2D、3D研究传感器位置不变时，气体发生器轴向位置不同对P—t曲线的影响；代号1B、1C研究发生器位置不变，传感器径向位置不同对P—t曲线的影响。

由于发生器自身具有一定波动性，因此采用同一批次发生器进行试验。为了提高试验准确性，对发生器位置固定，传感器位置不同的试验方案，代号1A、1B、1C、1D对同一发发生器，多路传感器同时采集。

表1实验安排表

Table1Thescheduleoftest

2结果与讨论

2.1典型P—t曲线分析

将计算机处理后的压力信号输出为曲线图，如图4所示，它是典型的Tank试验P—t曲线。

图4气体发生器Tank试验P—t曲线

Fig.4TheP-tcurveofgasgeneratortanktest

（1）图4中曲线的起始点A即为气体发生器点火脉冲起始时刻，也就是图中的零时刻即t0=0，一般采用相对压力，起始点压力为零即P0=0。

（2）图4中B点为压力起始点，也称TTFG（TimeToFirstGas），该点定义为在密闭容器展开试验时罐压力第一次超过真实1kPa的数据点[8]，其物理意义表示气体发生器从此刻开始真正向Tank中释放气体。

（3）图4中D点是Tank试验中压力最大的点即Pmax，对应的横坐标为最大压力时间tmax。D点可衡量气体发生器的充气能力，即气体发生器能够以多快的速度充满多大容积的气袋。

（4）图4中C点为95％最大压力点即P95%，其对应的时间为t95%。有些P—t曲线在接近最大压力值时存在缓慢上升的情况，所以采用P95%、t95%作为衡量气体发生器向气袋充气的能力和快慢有时比采用Pmax、tmax更加准确[9]。

完成6组试验后，将每组的3列数据作均值处理，并绘制P—t曲线，通过计算软件得到最大压力（Pmax）、最大压力时间（tmax）、95%最大压力（P95%）、95%最大压力时间（t95%）、压力起始时间（TTFG），按照上文所述特征点进行对比分析。

2.2传感器轴向位置不同对P—t曲线影响

如图1所示，发生器固定在位置1，传感器分别固定在位置A、C、D进行试验，传感器与发生器的轴向距离分别为50mm、150mm、350mm。对比发生器轴向位置对P—t曲线的影响，试验结果如表2和图5所示。

表2发生器位置相同、传感器位置不同时的数据对比

Table2Thecomparisonofthedatawhichhasthesamepositionofgasgeneratorandthedifferentpositionofsensor

图5发生器位置相同、传感器位置不同时的数据对比

Fig.5Thecomparisonofthedatawhichhasthesamepositionofgasgeneratorandthedifferentpositionofsensor

对比数据得出A、C、D三个位置的Pmax成递减趋势，TTFG成递增趋势，tmax和t95%没有一定的规律。其中，相对于A位置，C位置和D位置的最大压力Pmax分别减小了7kPa和11kPa，TTFG增大了0.2ms和0.4ms。

通过以上数据对比发现，发生器出气口和传感器距离越近，最大压力Pmax越大，压力起始时间TTFG越小。分析是发生器出气口的高温高压气体能以更少的损耗和更少的时间到达传感器的测试端，因而与发生器出气口位置最近的传感器A测得的Pmax最大、TTFG最小。

2.3发生器轴向位置不同对P—t曲线影响

如图1所示，传感器固定在位置D，发生器分别固定在位置1、2、3进行试验，传感器与发生器的轴向距离分别为350mm、150mm、50mm。对比发生器轴向位置对P—t曲线的影响，试验结果如表3和图6所示。

表3传感器位置相同、发生器位置不同时的数据对比

Table3Thecomparisonofthedatawhichhasthesamepositionofsensorandthedifferentpositionofgasgenerator

图6传感器位置相同、发生器位置不同时的数据对比

Fig.6Thecomparisonofthedatawhichhasthesamepositionofsensorandthedifferentpositionofgasgenerator

对比以上数据得出，1、2、3三个位置传感器分别测试的Pmax成递增趋势，TTFG成递减趋势，tmax和t95%没有一定的规律。其中，相对于1位置，2位置和3位置的最大压力Pmax分别增大了5kPa和19kPa，TTFG减小了0.2ms和0.3ms。

通过以上数据对比发现，发生器出气口和传感器位置差越小，最大压力Pmax越大，压力起始时间TTFG越小。验证了2.2的结论。

2.4传感器径向位置不同对P—t曲线影响

如图1所示，发生器固定在位置1，传感器分别固定在位置B、C进行试验，传感器与压力罐内壁的径向距离分别为0mm、150mm。对比传感器径向位置对P—t曲线的影响，试验结果如表4和图7所示。

表4发生器和传感器位置相同，传感器安装位置不同时的数据对比

Table4Thecomparisonofthedatawhichhasthesamepositionofsensorandgasgenerator,thedifferentinstallationpositionofsensor

图7发生器和传感器位置相同，而传感器安装位置不同时的数据对比

Fig.7Thecomparisonofthedatawhichhasthesamepositionofsensorandgasgenerator,thedifferentinstallationpositionofsensor

对比以上数据得出，B位置和C位置测试的TTFG一样，但B位置测试的Pmax、tmax、P95%、t95%都要小于C位置的测试数据。其中，B位置相对C位置，Pmax减少了2.5%，tmax减小了1ms左右，TTFG不变，因而B位置和C位置对比，曲线是等比例缩小了，而不是上下或者左右偏移。

通过以上数据对比发现，通过对比B位置和C位置Pmax，可见压力在经过150mm长的φ5内腔时，最大压力幅度得到了2.6%的增强。

3结论

通过试验研究发现，发生器和传感器的相对位置对Tank试验中P—t曲线有一定的影响，发生器和传感器轴向距离越近，测试Pmax越大，TTFG越小；发生器和传感器径向距离越近，Pmax越小，TTFG无影响。本研究对发生器Tank系统的设计和发生器P—t曲线研究有一定借鉴意义。

参考文献：

[1]张金换，杜汇良，马春生等.汽车碰撞安全性设计.北京：清华大学出版社,2010,143-460

[2]黄晶，钟志华，胡林等.新型管式安全气囊的防护性能分析及结构优化.机械工程学报,2009,45(6):107-112

[3]李玉平，安全气囊用新型气体发生剂的研制[D]，中北大学，硕士学位论文,2010:1-6.

[4]周奎军,陈保伟,等.气体发生器壳体强度设计[J].火工品,2007(2):54-56

[5]杨晓川.小型化气体发生器壳体的激光焊接技术研究[D]，电子科技大学，硕士学位论文,2007:11-12.

[6]全国汽车标准化委员会，GB/T19949.3—2005道路车辆安全气囊部件第3部分：气体发生器总成试验[S].北京：中国国家标准化管理委员会,2005:12-14.

[7]AirBagSystemGasGenerators(InstallationLocation:Seats)RequirementsandTestC