基于ADAMS的汽車安全帶卷收器車身敏感鎖止性能研究

杜 力，鮑馬飛，2，洪俊坤，2，杜彥斌

（1.重慶工商大學(xué)制造裝備機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400067；2.重慶理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400054）

汽車安全帶是汽車安全約束系統(tǒng)最重要的組成部分。近年來，隨著汽車保有量的增多，汽車安全事故頻頻發(fā)生，其中汽車安全帶對(duì)保護(hù)汽車成員的安全有著不可替代的作用［1-5］。目前，我國已經(jīng)出臺(tái)了強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)GB14166—2013《機(jī)動(dòng)車成員用安全帶、約束系統(tǒng)、兒童約束系統(tǒng)和ISOFIX兒童約束系統(tǒng)》。本文介紹了緊急鎖止式卷收器結(jié)構(gòu)組成以及工作原理，并對(duì)鎖止結(jié)構(gòu)進(jìn)行了理論分析，研究了車感座凹槽傾角與鎖止時(shí)間的關(guān)系以及凹槽傾角與最小鎖止加速度之間的關(guān)系。

1 安全帶卷收器鎖止機(jī)構(gòu)的組成及工作原理

1.1 緊急鎖止式卷收器結(jié)構(gòu)組成

卷收器是一種用于全部或部分卷收安全帶織帶的裝置，根據(jù)其功能可分為無鎖式卷收器（1型）、手調(diào)式卷收器（2型）、自鎖式卷收器（3型）、緊急鎖止式卷收器（4型）以及高響應(yīng)緊急鎖止式卷收器（4N型）。圖1為緊急鎖止式卷收器結(jié)構(gòu)，圖2為緊急鎖止式卷收器爆炸圖［6］。

圖1 緊急鎖止式卷收器結(jié)構(gòu)

如圖1所示，緊急鎖止式卷收器大體可分為鎖止端、盤簧端、旋轉(zhuǎn)芯軸以及支架。其中，鎖止端在緊急情況下起鎖止作用，盤簧端負(fù)責(zé)安全帶織帶的卷收，旋轉(zhuǎn)芯軸纏繞織帶，支架起固定支撐作用［7］。

緊急鎖止式卷收器各結(jié)構(gòu)組成如圖2爆炸圖所示。

圖2 緊急鎖止式卷收器爆炸圖

1.2 緊急鎖止式卷收器盤簧端

卷收器織帶的拉出與回卷是通過盤簧端的盤簧回卷力來實(shí)現(xiàn)的。圖3是切掉盤簧蓋上端部分后的示意圖，其中盤簧的一端與盤簧蓋在b處通過異形結(jié)構(gòu)卡死，盤簧另一端在d處與盤簧壓蓋上的異形結(jié)構(gòu)卡死。當(dāng)織帶拉出時(shí)，盤簧順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生預(yù)緊力。當(dāng)拉出織帶的拉力釋放時(shí)，在盤簧預(yù)緊力的作用下，芯軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，織帶被回卷。

1.3 緊急鎖止式卷收器鎖止端

緊急鎖止式卷收器有2種鎖止方式：車身敏感鎖止和織帶敏感鎖止。其結(jié)構(gòu)見圖4。

織帶敏感鎖止是指當(dāng)纏繞在芯軸上的織帶拉出加速度達(dá)到一定值時(shí)，帶感擺輪由于慣性力作用而滯后，將復(fù)位簧壓縮。帶感擺輪p處因滯后而與外齒圓盤o處接觸，然后帶感擺輪繼續(xù)隨外齒圓盤運(yùn)動(dòng)，當(dāng)p處與鎖止端蓋q處的凸齒接觸而卡死，使得圓盤外齒卡死。棘爪繼續(xù)隨芯軸運(yùn)動(dòng)，但只能隨棘爪軌道運(yùn)動(dòng)而伸出從而棘爪與支架棘齒卡死，使得芯軸也隨之卡死，從而織帶無法繼續(xù)拉出［8-10］。

圖3 卷收器拉出回卷示意圖

車身敏感鎖止是指當(dāng)車身傾斜一定角度時(shí)，敏感球由重力作用而滾動(dòng)從而將車感臂抬起，車感臂與外齒圓盤上的棘齒卡死，使得外齒圓盤卡死，棘爪伸出與支架棘齒卡死，織帶無法繼續(xù)拉出；當(dāng)車身減速度達(dá)到一定值時(shí)，敏感球由于慣性力的作用而將車感臂抬起，從而卡死外齒圓盤使得棘爪卡死支架棘齒而織帶無法被拉出。

圖4 緊急鎖止式卷收器結(jié)構(gòu)示意圖

2 車感鎖止機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析

2.1 車感臂運(yùn)動(dòng)分析

在車輛發(fā)生碰撞或者遇到緊急情況減速時(shí)，敏感球會(huì)在減速度的作用下發(fā)生向右的滾動(dòng)，從而推動(dòng)車感臂向上運(yùn)動(dòng)，使車感臂接觸外齒圓盤將外齒圓盤卡死，從而達(dá)到鎖止織帶的結(jié)果。

對(duì)圖5中車感臂進(jìn)行受力分析。車感臂分別受到自身的重力G、慣性力Fa、敏感球?qū)嚫斜鄣淖饔昧N、摩擦力f、車感座對(duì)車感臂的作用力Fx-y作用。通過對(duì)o點(diǎn)求矩可得：

式中：l1為車感臂質(zhì)心與o點(diǎn)連線長度；l2為車感臂與敏感球切點(diǎn)與o點(diǎn)連線長度；θ為敏感球與車感臂切面和l2的夾角；α為l1與水平方向的夾角；m為車感臂的質(zhì)量。

由式（1）求解得到：

圖5 車感臂受力分析

2.2 敏感球運(yùn)動(dòng)分析

敏感球在受到減速作用后，會(huì)向右運(yùn)動(dòng)從而推動(dòng)車感臂運(yùn)動(dòng)。

對(duì)圖6中敏感球進(jìn)行受力分析。敏感球分別受到自身重力G、車感座的作用力F′N1、摩擦力f1、車感臂的作用力F′N、減速力F作用，故敏感球的受力表示為：

式中：δ為車感座與敏感球切點(diǎn)法線與豎直方向的夾角；φ為車感臂對(duì)敏感球壓力與x軸方向的夾角；m1為敏感球的質(zhì)量。

圖6 敏感球運(yùn)動(dòng)過程受力分析圖

2.3 車感鎖止時(shí)間分析

隨著敏感球和車感臂的運(yùn)動(dòng)，α、θ角會(huì)不斷地變化，從而FN也會(huì)隨著α、θ角的變化而變化。實(shí)際上由于車感臂的質(zhì)量較小對(duì)鎖止時(shí)間以及最小鎖止加速度的影響較小。為了降低計(jì)算量對(duì)FN可取初始位置的值［11］。

對(duì)敏感球的微分方程為：

求解式（7），敏感球的速度沿x、y的投影分別為：

求解式（9），得敏感球直角坐標(biāo)形式的運(yùn)動(dòng)方程為：

通過式（10）可求得敏感球在x方向移動(dòng)距離與時(shí)間關(guān)系為：

式（11）中的x是一個(gè)變量，隨著車感座凹槽傾角的變化也會(huì)不斷地變化，通過圖7的幾何關(guān)系可求出凹槽不同傾角下的x值。

圖7 敏感球鎖止位置關(guān)系

當(dāng)敏感球到達(dá)鎖止位置時(shí)根據(jù)幾何關(guān)系可求出lPH長度為：

敏感球從初始位置到鎖止位置，在x方向移動(dòng)的距離為：

將式（14）代入式（11）可求得敏感球鎖止時(shí)間。

3 ADAMS仿真分析

3.1 理論鎖止時(shí)間與仿真鎖止時(shí)間比較

在Adams中建立三維模型，將車感座凹槽傾角設(shè)為變量DV_ANGLE，其取值范圍Min.Value為12，Max.Value為24。取加速度值為0.45g，敏感球?qū)?yīng)的慣性力為0.037 485 N。通過仿真分析，可得車感座凹槽傾角與鎖止時(shí)間的關(guān)系［9］。

將表1中的數(shù)據(jù)代入式（11），可得到理論計(jì)算上車感座凹槽傾角與鎖止時(shí)間的關(guān)系。

表1 車感鎖止機(jī)構(gòu)參數(shù)

在加速度為0.45g、車感座凹槽傾角從12°～20°的情況下，通過分析和計(jì)算發(fā)現(xiàn)，仿真分析和理論計(jì)算的鎖止時(shí)間非常接近。

將兩種數(shù)據(jù)繪制在圖8中，可見仿真分析得到的鎖止時(shí)間雖略微偏大，但兩條曲線幾乎處于重合狀態(tài)。可認(rèn)為，仿真結(jié)果可靠［10］。

圖8 理論鎖止時(shí)間與仿真鎖止時(shí)間對(duì)比圖

3.2 凹槽傾角與鎖止加速度的關(guān)系

通過Design Exploration分析設(shè)計(jì)變量對(duì)目標(biāo)的影響程度，得出不同的凹槽傾角所對(duì)應(yīng)的最小鎖止加速度，從而得出凹槽傾角與鎖止加速度之間的關(guān)系［11］。

以車感臂與豎直方向的最大夾角為測量目標(biāo)，Design Variable取慣性力DV_Force，其范圍為0.023～0.044 N。

在外齒圓盤處添加一個(gè)傳感器，當(dāng)圓盤外齒受力大于零時(shí)，即發(fā)生碰撞，分析終止。Default levels取20，對(duì)凹槽傾角為12°的情況進(jìn)行分析，結(jié)果見圖9。

圖9 DV_Force影響程度分析1

車感臂與豎直方向的夾角為123°時(shí)，夾角達(dá)到最大值，外齒圓盤鎖止。可見圖9第1條曲線未鎖止，第2條曲線開始鎖止。取第1條曲線與第3條曲線之間的力，力的范圍為0.023～0.044 N，再利用Design Exploration分析，結(jié)果見圖10。

圖10 DV_Force影響程度分析2

從圖10可以看出：第4條曲線未鎖止，第5條曲線開始鎖止。在information對(duì)話框中，可以設(shè)第5條曲線所對(duì)應(yīng)的慣性力大小為0.234 21 N，從而可以算出其鎖止加速度為0.281 16（m／s2）。

同理，可以求出13°～24°的最小鎖止加速度、凹槽傾角與最小鎖止加速度之間的關(guān)系，見表2。

表2給出了從12°～24°車感座凹槽傾角與最小鎖止加速度之間的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)。可以看出：車感座凹槽傾角與鎖止加速度之間的關(guān)系，隨著車感座凹槽傾角的增大，車感鎖止所需要的最小加速度也逐漸增大［12］。

但表中的數(shù)據(jù)無法給出連續(xù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，也不夠直觀。為了技術(shù)人員快速驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案，利用Matlab對(duì)表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多項(xiàng)式擬合，得到相應(yīng)的關(guān)系式并繪制成曲線圖［13］。

表2 車感座凹槽傾角與鎖止加速度關(guān)系

由圖11可知：方差SSE數(shù)量級(jí)為10-5，相關(guān)系數(shù)R-square＝1，說明擬合結(jié)果較好。因此，車感鎖止加速度a可表示為：

如圖12所示。

圖11 車感鎖止數(shù)據(jù)擬合結(jié)果

綜上所述，車感座凹槽傾角對(duì)車感鎖止加速度a影響較大。根據(jù)GB14166—2013中的規(guī)定，鎖止加速度為0.45g，傾斜敏感角為12°～27°必須鎖止。結(jié)合本例情況，車感座凹槽傾角設(shè)計(jì)在12°～20°之間最好［14］。

圖12 車感座凹槽傾角與鎖止加速度關(guān)系圖

4 結(jié)束語

汽車安全帶是汽車安全約束系統(tǒng)不可或缺的部分，對(duì)汽車安全有著不可替代的作用，而卷收器是安全帶的核心結(jié)構(gòu)。本文介紹了緊急鎖止式卷收器的基本結(jié)構(gòu)，分析了卷收器各部件的工作原理。從理論上給出了車感座凹槽的傾角與鎖止時(shí)間的關(guān)系，并與ADAMS仿真結(jié)果進(jìn)行了比較。同時(shí)利用ADAMS軟件仿真，得出了車感座凹槽傾角大小與最小鎖止加速度之間的關(guān)系，并利用Matlab進(jìn)行二次多項(xiàng)式擬合，得到兩者之間的關(guān)系式。本文的分析對(duì)系列化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和開發(fā)具有一定的理論意義。