CN115791209B - 基于加速度传感器的汽车安全气囊气体发生器产气量及产气速率测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于加速度传感器的汽车安全气囊气体发生器产气量及产气速率测试方法，常压环境下设置一个竖直放置的中空透明圆柱体刚性容器，刚性容器内设置一个与气囊气体发生器接触的轻质活塞；通过加速度传感器记录气囊气体发生器点火剧烈燃烧过程活塞在刚性容器内的竖直运动轨迹，简化成物理模型，转化成活塞的线性运动过程与刚性容器所围成的体积变化，即为气体发生器的产气量；求解所述体积变化率即为产气速率。本发明有可靠的理论依据，操作方便，测量结果精确，为实际研发和生产提供一定的技术支持。

Description

基于加速度传感器的汽车安全气囊气体发生器产气量及产气速率测试方法

技术领域

本发明涉及安全气囊气体发生器测试技术，具体涉及一种基于加速度传感器的汽车安全气囊气体发生器产气量及产气速率测试方法。

背景技术

随着国汽车行业的高速发展，市场上的车型及汽车数量也越来越多，基于道路安全及消费者对安全重视度的提高，对汽车安全气囊保护的区域及其性能提出了越来越高的要求。

现有汽车安全气囊主要是由气体发生器、气袋组成；作为汽车安全气囊核心组件之一的气体发生器，主要包括：点火药剂、产气药剂、金属滤网；点火器引燃点火药剂，点火药剂放热，产气药剂发生剧烈的化学反应，产生氮气等气体，金属滤网过滤药剂残渣，气体经充气孔进入气袋。气体发生器的产气量和产气速率是关键的性能参数，很大程度上决定了气囊性能是否满足碰撞后保护乘员避免与车体结构硬接触的性能要求，其中产气量决定了气袋的体积，直接影响气囊保护区域的大小；产气速率决定了气体充满气袋的时间，决定了车辆发生碰撞后乘员前倾到设计位置时，气袋是不是正好充满并到达设计位置托住乘员。所以在零部件开发阶段，气囊气体发生器的产气量及产气速率测试至关重要。

现有技术的气体发生器的产气量和产气速率主要是通过产气药剂的测试、系列产品药量差异的估算和对气体发生器进行密闭燃烧室试验（Tank测试），在密闭刚性容器内点爆安全气囊气体发生器，通过压力传感器得出压力-时间（p-t）曲线。通过压力值估算产气量，根据p-t曲线的斜率，估算产气速率。上述这些方式并不能准确和直观地得到气体发生器的产气量和产气速率，应对日趋严格的汽车碰撞安全标准仍存在一定的局限性。

申请号200520104200.8的专利提供的一种安全气囊气体发生器性能测试装置，能够测试气体发生器点火后所产生气体的压力-时间曲线、温度、成分和浓度、燃烧后固体残渣的成分和含量，但该技术方案无法测量产气量及产气速率。

申请号201610586401.9的专利提供的一种安全气囊气体发生器性能检测装置，可实现检测装置罐盖的快速开合，对现有测试装置的便利性做了改善，但其本质还是基于现有测试评价方法及装置，无法测量产气量及产气速率。

申请号202021296314.8的专利提供的一种安全气囊气体发生器测试压力装置，解决了现有安全气囊气体发生器测试装置不能够有效地固定被测产品的问题，以及安全气囊气体发生器测试装置移动不方便的问题；但也仅是对现有测试装置的操作便利性做了改善，无法测量产气量及产气速率。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种基于加速度传感器的汽车安全气囊气体发生器产气量及产气速率测试方法，能够测量出气囊气体发生器点火后的产气量、产气速率及其动态变化，为实际气囊气体发生器的研发和生产提供一种测评方法。

技术方案：本发明的一种基于加速度传感器的汽车安全气囊气体发生器产气量及产气速率测试方法，包括以下步骤：

步骤S1、布置测试装置；测试装置包括刚性容器、活塞和加速度传感器；刚性容器呈透明中空圆柱体状，刚性容器内底部固定有气囊气体发生器，活塞位于刚性容器内，活塞本体整体呈开口朝下的半球壳状，活塞本体顶部中心设有加速度传感器，加速度传感器垂直于刚性容器中轴线放置；刚性容器上方固定有定位悬臂，定位悬臂上与刚性容器中轴线对应的位置上设正方形定位孔，活塞上顶端安装有定位柱，定位柱与定位孔相适配；

步骤S2、激发刚性容器内的点火装置，并同步启动加速度传感器和数据记录装置；点火后活塞在刚性容器内部做竖直方向线性运动；加速度传感器采集活塞在刚性容器的竖直运动加速度变化；

依据加速度传感器实时采集的竖直运动加速度变化数据，转换为活塞的线性运动过程、以及活塞与刚性容器所围空间的体积变化，进而得到气体发生器的产气量；接着求解活塞与刚性容器所围空间的体积变化率，体积变化率即为气体发生器的产气速率；

读取活塞顶外侧的加速度传感器数据，提取加速度与时间的动态方程：

   (1)

式(1)中，，为活塞线性运动加速度，单位；为待定常数；为时间变量，单位；

式(1)对时间变量积分，求解活塞线性运动速度与时间的多项式方程：

     (2)

式(2)中，为活塞线性运动速度，单位；其余参数同式(1)；

式(2)对时间变量再次积分，求解活塞线性运动位移与时间的多项式方程：

 (3)

式(3)中，为活塞线性运动位移，单位；其余参数同式(1)；

测试前测量气囊气体发生器体积为，单位，则测试前活塞与刚性容器构成的空间内，初始气体体积为：

                               (4)

式(4)中，为系统初始气体体积，单位升()，为活塞底端内侧半径，单位；

气囊气体发生器点火燃烧系统内气体体积为活塞半球壳与中空圆柱体刚性容器形成的密闭空间体积之和，结合式(3)活塞线性运动位移，气囊气体发生器点火燃烧系统内气体体积为：

 (5)

式(5)中，，为中空圆柱体刚性容器内侧半径，单位；其余参数同式(3)(4)；

由式(4)(5)可得气囊气体发生器产气量为，单位：

 (6)

式(6)对时间变量微分，求解气囊气体发生器产气速率：

   (7)

式(7)中，：气囊气体发生器产气速率，单位：；其余参数同式(6)；

根据式(6)求解气囊气体发生器产气量及其随时间的动态变化；

根据式(7)求解气囊气体发生器产气速率及其随时间的动态变化。

进一步地，所述刚性容器外壁设有等间距刻度，刚性容器为的内径为2R；刚性容器和活塞均采用光滑刚性材质制成；活塞半外表面直径与刚性容器内径相匹配，刚性容器和活塞的接触部分涂有润滑涂层，忽略摩擦力和活塞质量的影响；上述尺寸单位为。

进一步地，所述刚性容器底部设置有底座，底座与刚性容器柱体可拆卸密封连接，所述底座的中心区域设有可与气囊气体发生器连接的螺栓和线束孔，气囊气体发生器的点爆线束穿过底座上的线束孔，点爆线束与点火装置连接；底座的外圈设有固定螺栓孔。

进一步地，所述定位悬臂与刚性容器刚性连接。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

（1）本发明定位柱横截面与定位孔形状、尺寸相匹配，有效限制了活塞的转动；活塞与膨胀气体接触部分为半球壳结构，使其与刚性容器接触位置过渡平缓，防止出现应力集中，使活塞受力均匀，线性运动过程更加稳定。

（2）本发明通过加速度传感器测量活塞在刚性容器内的竖直运动的加速度信息，转化为活塞的线性运动过程与中空圆柱体刚性容器所围成的体积变化，即为气体发生器的产气量；求解所述体积变化率即为产气速率。

（3）本发明有可靠的理论依据，操作方便，测量结果精确，为实际研发和生产提供一定的技术支持。

附图说明

图1是本发明中刚性容器结构示意图；

图2是本发明中活塞结构示意图；

图3是本发明局部结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

常压环境下设置一个竖直放置的中空透明圆柱体刚性容器1，刚性容器1内放置一个与气囊气体发生器8接触的轻质活塞4；通过加速度传感器7记录气囊气体发生器8点火剧烈燃烧过程活塞4在刚性容器1内的竖直运动轨迹，简化成物理模型，转化成活塞4的线性运动过程与刚性容器1所围成的体积变化，即为气体发生器8的产气量；求解所述体积变化率即为产气速率。

其理论推导为：刚性容器1为透明材质，刚性容器1外壁其上有等间距刻度，内径2R；轻质活塞4呈半球壳形状，内径2r；刚性容器1和活塞4均采用光滑刚性材质，接触部分涂润滑涂层，忽略摩擦力和活塞4质量的影响；上述尺寸单位为毫米。

实施例1

如图1至图3所示，本实施例的测试装置中，刚性容器1外壁设有等间距刻度，刚性容器1为的内径为2R；轻质活塞4的内径为2r；刚性容器1和活塞4均采用光滑刚性材质制成；活塞4半外表面直径与刚性容器1内径相匹配，刚性容器1和活塞4的接触部分涂有润滑涂层，忽略摩擦力和活塞4质量的影响；上述尺寸单位为。刚性容器1的底部设置有底座2，底座2与刚性容器1柱体可拆卸密封连接，底座2的中心区域设有可与气囊气体发生器8连接的螺栓和线束孔，气囊气体发生器8的点爆线束穿过底座2上的线束孔，点爆线束与点火装置连接；底座的外圈设有固定螺栓孔。定位悬臂与刚性容器1刚性连接，定位悬臂上与刚性容器1中轴线对应的位置上设正方形定位孔3，定位孔3与定位柱5形状、尺寸相适配。

上述测试装置、装置间连接部位及密封位置可承受500以上设计压力，本实施例加速度传感器采样频率为1000。

测试时，先将气囊气体发生器8的点爆线束穿过刚性容器1的底座线束孔，密封底座2的线束孔；气囊气体发生器8通过底座2螺栓固定在底座2上。将活塞4置于刚性容器1内，定位柱5穿过定位孔3，接触部分涂润滑涂层，将活塞4置于刚性容器1外侧的刻度线起始位置，并将底座2与刚性容器1密封连接；通过底座2外圈设置的固定螺栓孔与固定基座相连接，用于固定整个测试系统。加速度传感器7垂直于刚性容器1中轴线放置。气囊气体发生器8的点爆线束与点火装置连接，加速度传感器7与数据记录装置连接，点火装置与数据记录装置（例如USB存储设备）连接。

激发点火装置，加速度传感器7和数据记录装置同步启动；点火器引爆点火药剂，点火药剂引燃产气药剂，迅速放出大量气体，气体推动活塞4在刚性容器1内部线性运动，加速度传感器7采集活塞4的运动加速度变化信息。活塞4停止后关闭所有设备，所有数据由数据记录装置记录。

结合上述理论推导，通过加速度传感器7测得的活塞4在透明中空柱体刚性容器1内的竖直运动加速度变化，转化成活塞4的线性运动过程与刚性容器1所围成的体积变化，即为气体发生器8的产气量；求解体积变化率即为产气速率。

实施例2

本实施例的测试装置结构与上述实施例相同，具体如下：

参照图1，刚性容器1及其底座2和定位悬臂均采用透明钢化玻璃材质，钢化度为2~4，可承受应力95，且表面光滑、摩擦系数小。刚性容器1长450，内径26，壁厚3，设计可测气体容量约为200升；其上设有量程为400的刻度线，相邻刻度值为1；底座2与刚性容器1可拆卸密封连接，悬臂对应刚性容器1中轴线位置设边长1正方形定位孔3。

参照图2，活塞4的本体为半球壳，外表面直径26，壁厚2，活塞4半球壳顶端中心设置加速度传感器7；活塞4顶部外侧设定位柱5，长460，横截面为边长1的正方形；活塞4整体采用深色钢化玻璃材质，钢化度为2~4，可承受应力95，且表面光滑、摩擦系数小。

参照图3，测试时，先将气囊气体发生器8的点爆线束穿过刚性容器1的底座线束孔，密封底座2的线束孔；气囊气体发生器8通过底座螺栓固定在底座2上。将活塞4置于刚性容器1内，定位柱5穿过定位孔3，接触部分涂润滑涂层，将活塞4置于刚性容器1外侧的刻度线起始位置，并将底座2与刚性容器1密封连接；通过底座外圈设置的固定螺栓孔与固定基座相连接，用于固定整个测试系统。加速度传感器7垂直于刚性容器1中轴线放置。气囊气体发生器8的点爆线束与点火装置连接，加速度传感器7与数据记录装置连接，点火装置与数据记录装置连接。

实施例3

本实施例的测试装置结构和装置连接方式同实施例1和实施例2。具体产气量及产气速率测试方法，包括以下步骤：

步骤S1、布置测试装置；测试装置包括刚性容器1、活塞4和加速度传感器7；刚性容器1呈透明中空圆柱体状，刚性容器1内底部固定有气囊气体发生器8，活塞4位于刚性容器1内，活塞4整体呈开口朝下的半球壳状，所述加速度传感器7垂直于刚性容器1中轴线放置；刚性容器1上方固定有定位悬臂，活塞4上顶端安装有定位柱；

步骤S2、激发刚性容器1内的点火装置，并同步启动加速度传感器7和数据记录装置；点火后活塞4在刚性容器1内部做竖直方向线性运动；加速度传感器7采集活塞4在刚性容器1的竖直运动轨迹；依据加速度传感器7实时采集的运动加速度，转换为活塞4的线性运动过程、以及活塞4与刚性容器1所围空间的体积变化，进而得到气体发生器8的产气量；接着求解活塞4与刚性容器1所围空间的体积变化率，体积变化率即为气体发生器8的产气速率；

其中，加速度传感器7记录刚性容器1中活塞4的线性运动加速度变化，读取活塞4顶外侧的加速度传感器数据，提取加速度与时间的动态方程：

 (1)

式(1)中，，为活塞4线性运动加速度；为待定常数；为时间变量；

式(1)对时间变量积分，求解活塞4线性运动速度与时间的多项式方程：

  (2)

式(2)中，为活塞4线性运动速度；

式(2)对时间变量再次积分，求解活塞4线性运动位移与时间的多项式方程：

 (3)

式(3)中，为活塞4线性运动位移；

测试前测量气囊气体发生器8体积为，则测试前活塞4与刚性容器1构成的空间内，初始气体体积为：

                               (4)

式(4)中，为系统初始气体体积，为活塞4底端内侧半径；

气囊气体发生器8点火燃烧系统内气体体积为活塞4半球壳与中空圆柱体刚性容器1形成的密闭空间体积之和，结合式(3)活塞4线性运动位移，气囊气体发生器8点火燃烧系统内气体体积为：

 (5)

式(5)中为中空圆柱体刚性容器1内侧半径；

由式(4)(5)可得气囊气体发生器8产气量如下：

 (6)

式(6)对时间变量微分，求解气囊气体发生器8产气速率：

   (7)

式(7)中，为气囊气体发生器8产气速率；

根据式(6)求解气囊气体发生器8产气量及其随时间的动态变化；

根据式(7)求解气囊气体发生器8产气速率及其随时间的动态变化。

Claims (4)

1.一种基于加速度传感器的汽车安全气囊气体发生器产气量及产气速率测试方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤S1、布置测试装置；测试装置包括刚性容器、活塞和加速度传感器；刚性容器呈透明中空圆柱体状，刚性容器内底部固定有气囊气体发生器，活塞位于刚性容器内，活塞本体整体呈开口朝下的半球壳状，活塞本体顶部中心设有加速度传感器，加速度传感器垂直于刚性容器中轴线放置；刚性容器上方固定有定位悬臂，定位悬臂上与刚性容器中轴线对应的位置上设正方形定位孔，活塞上顶端安装有定位柱，定位柱与定位孔相适配；

步骤S2、激发刚性容器内的点火装置，并同步启动加速度传感器和数据记录装置；点火后活塞在刚性容器内部做竖直方向线性运动；加速度传感器采集活塞在刚性容器的竖直运动加速度变化；

依据加速度传感器实时采集的竖直运动加速度变化数据，转换为活塞的线性运动过程、以及活塞与刚性容器所围空间的体积变化，进而得到气体发生器的产气量；接着求解活塞与刚性容器所围空间的体积变化率，体积变化率即为气体发生器的产气速率；

读取活塞顶外侧的加速度传感器数据，提取加速度与时间的动态方程：

  (1)

式(1)中， ，为活塞线性运动加速度；为待定常数；为时间变量；

式(1)对时间变量积分，求解活塞线性运动速度与时间的多项式方程：

  (2)

式(2)中，为活塞线性运动速度；

式(2)对时间变量再次积分，求解活塞线性运动位移与时间的多项式方程：

 (3)

式(3)中，为活塞线性运动位移；

测试前测量气囊气体发生器体积为，则测试前活塞与刚性容器构成的空间内，初始气体体积为：

                                (4)

式(4)中，为系统初始气体体积，为活塞底端内侧半径；

气囊气体发生器点火燃烧系统内气体体积为活塞半球壳与中空圆柱体刚性容器形成的密闭空间体积之和，结合式(3)活塞线性运动位移，气囊气体发生器点火燃烧系统内气体体积为：

(5)

式(5)中为中空圆柱体刚性容器内侧半径；

由式(4)(5)可得气囊气体发生器产气量如下：

 (6)

式(6)对时间变量微分，求解气囊气体发生器产气速率：

(7)

式(7)中，为气囊气体发生器产气速率；

根据式(6)求解气囊气体发生器产气量及其随时间的动态变化；

根据式(7)求解气囊气体发生器产气速率及其随时间的动态变化。

2.根据权利要求1所述的基于加速度传感器的汽车安全气囊气体发生器产气量及产气速率测试方法，其特征在于：所述刚性容器外壁设有等间距刻度，刚性容器的内径为2R；刚性容器和活塞均采用光滑刚性材质制成；活塞半外表面直径与刚性容器内径相匹配，刚性容器和活塞的接触部分涂有润滑涂层，忽略摩擦力和活塞质量的影响。

3.根据权利要求1所述的基于加速度传感器的汽车安全气囊气体发生器产气量及产气速率测试方法，其特征在于：所述刚性容器底部设置有底座，底座与刚性容器柱体可拆卸密封连接，所述底座的中心区域设有可与气囊气体发生器连接的螺栓和线束孔，气囊气体发生器的点爆线束穿过底座上的线束孔，点爆线束与点火装置连接；底座的外圈设有固定螺栓孔。

4.根据权利要求1所述的基于加速度传感器的汽车安全气囊气体发生器产气量及产气速率测试方法，其特征在于：所述定位悬臂与刚性容器刚性连接。

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