滾針式超越離合器在安全帶上的設計與應用

葛亮,王潔,劉微靜

(奧托立夫(上海)汽車安全系統研發有限公司， 上海 201807)

0 引言

隨著傳感器技術和人工智能的發展，汽車安全系統正從僅提供碰撞后保護的被動安全系統轉向兼顧事故預防和碰撞后保護的主動安全系統。安全帶作為汽車安全系統中的主要模塊，從傳統的僅在“碰撞后一瞬間”起作用，轉為提供全駕駛過程防護，是智能駕駛時代發展下的必然趨勢。

在當前應用中，主動式安全帶通過在傳統安全帶的基礎上，增加馬達、傳動系統和控制模塊，通過驅動安全帶芯軸轉動，控制織帶回收、放出、振動等，從而實現佩戴輔助、駕駛過程中的預警提醒、碰撞前的乘員姿態矯正等主動安全系統功能。

由于安全帶芯軸同時受馬達、卷簧、人(通過抽拉織帶)多方驅動，且要求互不干擾，因此離合器成為驅動系統中的核心部件。當前市場上的同類產品中，主要為齒式離合器，存在離合沖擊大、噪聲大、輸出扭矩不穩定且有齒尖對碰現象等問題，對產品壽命、功能穩定及乘員體驗都造成了不利影響。同時，當前產品的碰撞后預緊功能，仍由火藥點爆驅動。考慮到火藥裝置在生產、存貯、使用過程中的風險，越來越多的主機廠提出希望能用馬達驅動替代火藥驅動。但當前離合器主要為碰撞前功能設計，傳遞扭矩一般為15 N·m左右，如果要替代火藥實現碰撞后功能，可傳遞扭矩要在160 N·m以上。因此，一款柔性離合、輸出穩定可靠且可傳遞高扭矩的離合器是下一代安全帶設計首先要考慮的。

滾針式超越離合器是一種被廣泛應用的離合器，具有離合沖擊小、傳動可靠、傳遞扭矩大等優點。但常規的滾針式超越離合器，滾針與輸出軸無法完全脫離，應用到安全帶上會造成卷簧回收織帶時摩擦過大或者乘員無法拉出織帶等問題。文中將著重討論輸出軸可完全脫離的滾針式超越離合器的離合曲面參數設計。

1 結構設計

離合器主要結構見圖1，圖中同時顯示了離合器離、合時滾針與各部件關系。當驅動輪逆時針轉動時，離合器接合。此時滾針2(無陰影線)同時與驅動輪3和從動輪4接觸，扭矩及運動從驅動輪3通過滾針2傳遞到從動輪4。當離合器逆時針轉動時，離合器松開，此時滾針2(帶陰影線)完全脫離從動輪4(假設與驅動輪離合面保持接觸)。從動輪可自由運動或被卷簧、人力等其他外力驅動。

圖1 離合器主要結構

2 理論分析

簡化上述模型如圖2所示。圓心為O，半徑為R的圓代表外圓面1。曲線C代表內弧面2。圓心為O1，半徑為r的圓O1同時與曲線C以及圓O相切，離合器處于接合狀態。圓心為O2，半徑為r的圓O2與曲線C相切，與圓O間隔為s，離合器處于松開狀態。直線段L1連接圓心O和圓O1與曲線C的切點。直線段L2連接圓心O和圓O2與曲線C的切點。直線l1為圓O2與曲線C的公切線。直線l2為圓O1與曲線C的公切線。直線l3為圓O與圓O1的公切線。

圖2 離合器簡化模型

2.1 離合面曲線類型選擇

滾針式離合器離合面幾何形狀常見有以下幾種：平面、偏心圓弧面、對數螺旋面、特殊曲面。其中對數螺旋面有如下特性：過曲線上任一點作切線，該切線與過切點和中心的直線段行程的夾角為恒定值。該特性使摩擦角α相對于滾針直徑、輸出軸直徑等參數的敏感性較低。因此，在大規模生產中，選擇對數螺旋面作為離合器結合面有助于保持產品性能穩定。

2.2 主要計算參數

(1)根據對數螺旋線集合特性，直線l1與直線段L2的夾角等于直線l2與直線段L1的夾角，記為θ。直線l2與直線l3的夾角，記為α。α為離合器接合時，滾針兩側結合面的夾角。根據摩擦角理論，取值過小會導致松開困難，取值過大則可能導致接合打滑。

(2)直線段OO2與OO1的夾角，記為β。β代表了離合器從松開狀態轉變到接合狀態前，驅動輪需要轉過的角度。由于馬達最高轉速一般為固定值，該角的大小決定了離合器反應時間的長短。

(3)直線段L1與L2的夾角，記為γ。γ為滾針在接合和松開兩種狀態下，與曲線C相切的切點A和切點B與圓心O組成的直線段OA和OB之間的夾角。

(4)松開狀態下，圓O2與圓O的間隙為s。s可按輸入軸、輸出軸等在徑向的加工、裝配偏差取值，確保離合器松開狀態下，滾針與輸出軸無接觸。

3 計算方法

3.1 理論計算與公式

過點A(L1,0)和點B(L2,γ)的對數螺旋線方程(極坐標)：

ρ=aebθ

式中：b=cotθ0。

對于△OO2B和△OO1A，分別有

(1)

(2)

又因曲線過點(L1,-∠O1OA),可解得參數

至此，可得對數螺旋線方程，進而可求得滾針在點B的狀態參數。考慮到部分參數難以求得解析解，可借助計算機求其數值解。

3.2 實際算例

若初始參數為：r=2.5 mm,R=13.5 mm,α=8°,β=48°。

可得

a=18.52

b=0.12

對應對數螺旋線方程為

ρ=18.52e0.12θ

4 實驗部分

4.1 實驗樣件

樣件包括按第3.2節所列初始參數R和r加工滾針2與輸出軸4，按第3.2節所得螺旋線方程加工驅動輪3的內弧面2，以及其他必備的結構件，并裝配為安全帶總成。

4.2 實驗設備

(1)硬件設備主要包括按ECE R16附錄6標準搭建剛性座椅，按ECE R16附錄7標準配備實驗假人[1]，以及14.2 V穩壓直流電源和可編程電機驅動模塊。

(2)傳感器包括設置于織帶上的張力(F)傳感器、位移(X)傳感器和電源端的電壓(U)、電流(I)傳感器。

(3)軟件包括電機驅動程序、CAN網絡通信與數據采集軟件，以及傳感器數據采集程序。

4.3 測試方法

方法一：同時測試量產和新樣件。驅動電機使織帶張力達到140 N，采集力值、織帶位移、電流、電壓4項參數，對比新老設計表現差異。

方法二：同時測試量產和新樣件。連續多次重復執行相同動作，記錄輸出曲線，考察輸出穩定性。

4.4 結果分析與討論

(1)根據方法一，實驗結果如圖3所示。從力值曲線1對比可知，新設計離合器在最高扭矩輸出和運轉過程的穩定性上與現有設計一致。從位移曲線2對比可知，兩款產品對織帶的回收量相同，且在拉力保持階段未發生打滑等現象。同時電壓曲線4和電流曲線3均表現正常。樣件達到預定設計目標，即按第3.1節計算所得離合面可穩定接合與松開。

圖3 離合器輸出對比

(2)根據方法二，其輸出結果如圖4所示。

圖4 離合器輸出曲線圖

由曲線可知，由于現有產品離合器為齒式離合器，其輸出扭矩與齒和齒的接觸位置有關，因此現有產品1和現有產品2在相同程序控制下，輸出表現有較大差異。在實際使用中會帶來不良體驗。而新設計離合器由于采用連續面柔性離合，多次實驗輸出曲線基本重疊，可見具有較好的輸出穩定性。而新設計和現有產品曲線形狀上的差異是傳動系統傳動比不同導致，與離合器本身無關。

5 結論

針對主動式安全帶新離合器進行設計，提出了適用于新型主動式安全帶的對數螺旋面滾針式超越離合器的設計與計算方法，該方法經實驗驗證可靠。與現有產品對比，輸出性能一致，且穩定性遠高于現有產品，是下一代新型主動式安全帶的理想設計。同時，文中提出的計算方式將離合器反應速度和松開時滾針與接觸面間隙作為基本參數，因此也可廣泛適用于對離合反饋要求高，或要求離合器松開后輸出軸完全自由的各類滾針式超越離合器的設計計算。