傳感器位置對Tank試驗的影響研究

傳感器位置對Tank試驗的影響研究摘要：氣體發(fā)生器是汽車安全氣囊系統(tǒng)中的核心部件，其性能決定了安全氣囊系統(tǒng)的應(yīng)急使用性能。氣體發(fā)生器的性能一般是通過氣體發(fā)生器Tank試驗(密閉容器試驗)中P—t曲線(壓力一時間曲線)表征。本文分析了P—t曲線上的一些特征點的意義；通過試驗研究了發(fā)生器出氣口和傳感器相對位置變化，對P—t曲線中最大壓力Pmax和壓力起始時間TTFG的影響。

關(guān)鍵詞：氣體發(fā)生器，Tank試驗，P—t曲線，傳感器

0引言

作為乘員約束系統(tǒng)重要組成部分的汽車安全氣囊系統(tǒng)，能夠在汽車發(fā)生碰撞時有效地保護乘員[1,2]。汽車安全氣囊系統(tǒng)由傳感器、控制器、氣體發(fā)生器、氣囊等部分組成[3]。氣體發(fā)生器是安全氣囊系統(tǒng)的核心部件，它以適當(dāng)?shù)乃俣群唾|(zhì)量流率，產(chǎn)生適量的氣體充滿氣袋，從而保護駕乘人員[4]。氣體發(fā)生器是氣囊系統(tǒng)中非常重要而又復(fù)雜的組成部分，其性能好壞和可靠性直接關(guān)系到最終的保護效果[5]。

通常，氣體發(fā)生器向安全氣囊充氣的特性采用Tank試驗來評價。Tank試驗系統(tǒng)主要由壓力罐、傳感器、點爆系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和計算機組成。氣體發(fā)生器密封固定于一定容積（一般為60L或23.8L）壓力罐中[6]，通過點爆系統(tǒng)將氣體發(fā)生器激活并釋放氣體，傳感器采集壓力罐內(nèi)的壓力變化，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和計算機分析，輸出為易識別的數(shù)據(jù)表格和曲線圖。在AK-LV標(biāo)準(zhǔn)中，規(guī)定了測試傳感器不能正對氣體發(fā)生器的出氣口[7]，但并未對氣體發(fā)生器出氣口和傳感器的相對距離、傳感器距壓力罐內(nèi)壁距離進行規(guī)定。本文主要研究氣體發(fā)生器出氣口和傳感器的相對位置對Tank試驗中P—t曲線的影響。

1實驗方案設(shè)計

發(fā)生器和傳感器的相對位置包括軸向和徑向，通過設(shè)計傳感器沿壓力罐外壁排列位置和發(fā)生器固定位置，實現(xiàn)發(fā)生器出氣口和傳感器軸向位置相對變化。如圖1所示，A、B、C、D分別為傳感器安裝在壓力罐外壁的位置，1、2、3分別為固定在壓力罐中的氣體發(fā)生器出氣口位置；A、C、D相對罐體中心對稱分布；B和C處于同一水平線，成中心線對稱分布；1、2、3從壓力罐上沿以200mm等距分布。

圖1發(fā)生器出氣口和傳感器相對位置示意圖

Fig.1Theschematicdiagramoftherelativepositionbetweentheoutletofgasgeneratorandthesensors

通過設(shè)計傳感器與壓力罐內(nèi)壁之間的距離變化，實現(xiàn)發(fā)生器出氣口和傳感器徑向距離相對變化。如圖2所示，B位置傳感器直接與壓力罐外壁通過螺紋相連，傳感器測試端與壓力罐內(nèi)壁平齊。如圖3所示，除B以外其它三個位置的傳感器通過轉(zhuǎn)接頭和堵頭連接到壓力罐接通到內(nèi)部，傳感器測試端距壓力罐內(nèi)壁為150mm。

圖2B位置傳感器與壓力罐相連示意圖

Fig.2TheschematicdiagramofthesensorofBpositionattachedtopressuretank

圖3A、C、D位置傳感器與壓力罐相連示意圖

Fig.3TheschematicdiagramofthesensorofA、CandDpositionattachedtopressuretank

試驗中有三個變量，分別是氣體發(fā)生器固定位置、傳感器沿壓力罐軸向排列位置、傳感器測試端距壓力罐內(nèi)壁距離。針對三個變量設(shè)計交叉試驗，如表1所示。代號1A、1C、1D研究氣體發(fā)生器位置不變時，傳感器軸向位置不同對P—t曲線的影響；代號1D、2D、3D研究傳感器位置不變時，氣體發(fā)生器軸向位置不同對P—t曲線的影響；代號1B、1C研究發(fā)生器位置不變，傳感器徑向位置不同對P—t曲線的影響。

由于發(fā)生器自身具有一定波動性，因此采用同一批次發(fā)生器進行試驗。為了提高試驗準(zhǔn)確性，對發(fā)生器位置固定，傳感器位置不同的試驗方案，代號1A、1B、1C、1D對同一發(fā)發(fā)生器，多路傳感器同時采集。

表1實驗安排表

Table1Thescheduleoftest

2結(jié)果與討論

2.1典型P—t曲線分析

將計算機處理后的壓力信號輸出為曲線圖，如圖4所示，它是典型的Tank試驗P—t曲線。

圖4氣體發(fā)生器Tank試驗P—t曲線

Fig.4TheP-tcurveofgasgeneratortanktest

（1）圖4中曲線的起始點A即為氣體發(fā)生器點火脈沖起始時刻，也就是圖中的零時刻即t0=0，一般采用相對壓力，起始點壓力為零即P0=0。

（2）圖4中B點為壓力起始點，也稱TTFG（TimeToFirstGas），該點定義為在密閉容器展開試驗時罐壓力第一次超過真實1kPa的數(shù)據(jù)點[8]，其物理意義表示氣體發(fā)生器從此刻開始真正向Tank中釋放氣體。

（3）圖4中D點是Tank試驗中壓力最大的點即Pmax，對應(yīng)的橫坐標(biāo)為最大壓力時間tmax。D點可衡量氣體發(fā)生器的充氣能力，即氣體發(fā)生器能夠以多快的速度充滿多大容積的氣袋。

（4）圖4中C點為95％最大壓力點即P95%，其對應(yīng)的時間為t95%。有些P—t曲線在接近最大壓力值時存在緩慢上升的情況，所以采用P95%、t95%作為衡量氣體發(fā)生器向氣袋充氣的能力和快慢有時比采用Pmax、tmax更加準(zhǔn)確[9]。

完成6組試驗后，將每組的3列數(shù)據(jù)作均值處理，并繪制P—t曲線，通過計算軟件得到最大壓力（Pmax）、最大壓力時間（tmax）、95%最大壓力（P95%）、95%最大壓力時間（t95%）、壓力起始時間（TTFG），按照上文所述特征點進行對比分析。

2.2傳感器軸向位置不同對P—t曲線影響

如圖1所示，發(fā)生器固定在位置1，傳感器分別固定在位置A、C、D進行試驗，傳感器與發(fā)生器的軸向距離分別為50mm、150mm、350mm。對比發(fā)生器軸向位置對P—t曲線的影響，試驗結(jié)果如表2和圖5所示。

表2發(fā)生器位置相同、傳感器位置不同時的數(shù)據(jù)對比

Table2Thecomparisonofthedatawhichhasthesamepositionofgasgeneratorandthedifferentpositionofsensor

圖5發(fā)生器位置相同、傳感器位置不同時的數(shù)據(jù)對比

Fig.5Thecomparisonofthedatawhichhasthesamepositionofgasgeneratorandthedifferentpositionofsensor

對比數(shù)據(jù)得出A、C、D三個位置的Pmax成遞減趨勢，TTFG成遞增趨勢，tmax和t95%沒有一定的規(guī)律。其中，相對于A位置，C位置和D位置的最大壓力Pmax分別減小了7kPa和11kPa，TTFG增大了0.2ms和0.4ms。

通過以上數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，發(fā)生器出氣口和傳感器距離越近，最大壓力Pmax越大，壓力起始時間TTFG越小。分析是發(fā)生器出氣口的高溫高壓氣體能以更少的損耗和更少的時間到達傳感器的測試端，因而與發(fā)生器出氣口位置最近的傳感器A測得的Pmax最大、TTFG最小。

2.3發(fā)生器軸向位置不同對P—t曲線影響

如圖1所示，傳感器固定在位置D，發(fā)生器分別固定在位置1、2、3進行試驗，傳感器與發(fā)生器的軸向距離分別為350mm、150mm、50mm。對比發(fā)生器軸向位置對P—t曲線的影響，試驗結(jié)果如表3和圖6所示。

表3傳感器位置相同、發(fā)生器位置不同時的數(shù)據(jù)對比

Table3Thecomparisonofthedatawhichhasthesamepositionofsensorandthedifferentpositionofgasgenerator

圖6傳感器位置相同、發(fā)生器位置不同時的數(shù)據(jù)對比

Fig.6Thecomparisonofthedatawhichhasthesamepositionofsensorandthedifferentpositionofgasgenerator

對比以上數(shù)據(jù)得出，1、2、3三個位置傳感器分別測試的Pmax成遞增趨勢，TTFG成遞減趨勢，tmax和t95%沒有一定的規(guī)律。其中，相對于1位置，2位置和3位置的最大壓力Pmax分別增大了5kPa和19kPa，TTFG減小了0.2ms和0.3ms。

通過以上數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，發(fā)生器出氣口和傳感器位置差越小，最大壓力Pmax越大，壓力起始時間TTFG越小。驗證了2.2的結(jié)論。

2.4傳感器徑向位置不同對P—t曲線影響

如圖1所示，發(fā)生器固定在位置1，傳感器分別固定在位置B、C進行試驗，傳感器與壓力罐內(nèi)壁的徑向距離分別為0mm、150mm。對比傳感器徑向位置對P—t曲線的影響，試驗結(jié)果如表4和圖7所示。

表4發(fā)生器和傳感器位置相同，傳感器安裝位置不同時的數(shù)據(jù)對比

Table4Thecomparisonofthedatawhichhasthesamepositionofsensorandgasgenerator,thedifferentinstallationpositionofsensor

圖7發(fā)生器和傳感器位置相同，而傳感器安裝位置不同時的數(shù)據(jù)對比

Fig.7Thecomparisonofthedatawhichhasthesamepositionofsensorandgasgenerator,thedifferentinstallationpositionofsensor

對比以上數(shù)據(jù)得出，B位置和C位置測試的TTFG一樣，但B位置測試的Pmax、tmax、P95%、t95%都要小于C位置的測試數(shù)據(jù)。其中，B位置相對C位置，Pmax減少了2.5%，tmax減小了1ms左右，TTFG不變，因而B位置和C位置對比，曲線是等比例縮小了，而不是上下或者左右偏移。

通過以上數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，通過對比B位置和C位置Pmax，可見壓力在經(jīng)過150mm長的φ5內(nèi)腔時，最大壓力幅度得到了2.6%的增強。

3結(jié)論

通過試驗研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)生器和傳感器的相對位置對Tank試驗中P—t曲線有一定的影響，發(fā)生器和傳感器軸向距離越近，測試Pmax越大，TTFG越??；發(fā)生器和傳感器徑向距離越近，Pmax越小，TTFG無影響。本研究對發(fā)生器Tank系統(tǒng)的設(shè)計和發(fā)生器P—t曲線研究有一定借鑒意義。

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