新技術在解決卷收器支架扭轉變形上的應用分析

摘 ?要：隨著經濟水平的不斷提高，擁有汽車產品的消費者越來越多，消費者對汽車產品的質量、安全也更加關注。在汽車被動安全中最重要的安全產品之一就是安全帶，它的正常工作，特別是在一些極端工況下能保證其安全的功能顯得非常重要。本文通過靜態、動態仿真技術和輔助實驗檢驗的手段，極大提高了某產品安全帶在極端工況下的工作性能，為其它零部件的開發、優化設計提供了借鑒。

關鍵詞：安全帶;正常工作;極端工況;可靠性

中圖分類號：TG404 ??文獻標識碼：A ???文章編號：2096-6903（2019）02-0000-00

0引言

汽車被動安全技術的發展已經歷了十年的發展歷程，其主要包括汽車結構耐撞性和乘員約束系統兩大部分。汽車結構耐撞性主要是安全車身設計。乘員約束系統主要包括方向盤、轉向管柱、氣囊、安全帶、座椅等結構。安全車身主要是在碰撞發生時壓潰變形吸能，以便給乘員提供較小的減速度和足夠大的乘員生存空間。乘員約束系統結構主要是在安全車身的基礎上，進一步減小乘員受到的沖擊，保護乘員不和車內部件發生二次碰撞，受到二次傷害。

在約束系統中，安全帶是幾十年前就已經發明并使用在汽車上的安全裝備。安全帶系統主要由安全帶織帶、安全帶扣buckle，導向機構，卷收器等組成。安全帶系統正常工作的主要條件是卷收器保持在一定的角度范圍，當超過該范圍，安全帶織帶將會被鎖死。為此，我們需要做很多工作來保證卷收器在其合理的工作角度范圍內。卷收器工作時角度的改變主要是由于卷收器支架本身扭轉變形導致的。對照卷收器的工作原理，要保證安全帶拉出角度，關鍵在于卷收器保持在合理范圍的工作角度，為了保持卷收器的工作性能，卷收器的支架強度就顯得非常重要。

本文中卷收器支架原設計雖然滿足國家法規要求，但在遠遠嚴于國標的極端工況中，安全帶可能會有拉出不順利的情況產生。經分析，導致安全帶拉出不順利的主要原因就是卷收器扭轉變形。因此在關鍵時刻，特定情況下，卷收器支架的好壞決定了整車約束系統的開發成功與否。

本文優化卷收器支架采用了新的設計理念和方法手段，極大地提高了某型號安全帶卷收器的安全性和可靠性。

1有限元模型的建立及標準

本文分析中主要采用LS-DYNA的顯示求解方法，一般只需要白車身和座椅。白車身的關鍵部分在座椅安裝點的連接件，安全帶安裝點，座椅安裝梁等，其他零部件為非關鍵件。本文中白車身的關鍵件尺寸采用平均尺寸4mm，最小網格單元尺寸不小于2mm，最大網格單元尺寸不大于6mm，梁采用平均尺寸6mm。其他非白車身關鍵件采用平均網格單元尺寸10mm，最小網格單元尺寸不小于8mm，最大網格單元尺寸不大于13mm。

白車身各零部件之間沒有交叉、穿透，連接全部為焊點連接。焊點文件由車身相關工程師提供，焊點文件采用CSV格式，包含焊點坐標位置信息、焊接連接件信息等。各部件材料可以采用多條曲線動態材料數據，因為后面模型要做滑臺仿真分析。

座椅模型需要詳細建模，特別是卷收器及安全帶部分，需要詳細的網格模型來表征零部件的特征和幾何，以便真實地表達運動過程中安全帶支架等的受力情況。如果想在仿真分析中考察座椅本身的失效，座椅安裝點的螺栓可以按照實際畫出;也可用beam模擬，提取beam力，轉換成螺栓受力，然后計算螺栓是否失效。座椅靠背的調角器剛度也主要有兩種處理方式：一是，用beam模擬，然后設置beam的扭轉剛度為調角器剛度;二是，詳細的調角器建模，賦予模型正確的材料參數，包括材料曲線。其他部分按照座椅建模標準建立即可。

2 試驗仿真方法

參考GB14167-2013《汽車安全帶安裝固定點、ISOFIX固定點系統及上拉帶固定點》規定的要求，對座椅固定點強度進行仿真分析。

（1）模型的組成：白車身可以不安裝兩個前門、兩個后門、一個尾門，僅僅是一個白車身。前排兩個座椅同時安裝，一起加載進行仿真分析。座椅應該放在不利于座椅固定點強度的最惡劣位置，同時座椅靠背角調至設計值。

（2）模型的固定方法：前固定點位置的選擇應大于座椅前固定點500mm，后固定點位置的選擇應遠離后固定點位置300mm。在仿真分析中，固定點可以設置為前后選的mount點位置，其是汽車車身的實際固定位置。

（3）試驗仿真條件：在每個座椅上分別擺放有限元的上人體模塊、下人體模塊。系上安全帶，為節約寶貴的計算資源和時間，仿真分析的時間不必按照試驗的真實時間加載，一般是從0加載到規定最大值16200N，花費80毫秒左右。在最大值時，持時80毫秒即可，整個模型的計算時間在160毫秒左右，因此是可控的、經濟的。加載力的大小按照13500N加200N，即13700N進行加載。

3 優化方案

有限元模型計算結果顯示卷收器支架扭轉厲害，進一步分析，卷收器支架主要受兩個力，一個是腰帶力的橫向拉力，一個是肩帶力的縱向拉力。卷收器扭轉主要是由于腰帶和卷首器支架共用一個安裝點產生的。按照改動量最小、成本最低、投資最少的原則，進行優化設計。經過多輪的優化設計，我們找到了改動最少的優化方案。在卷收器支架上增加一個孔，同時在對應的車身鈑金上也增加一個孔。由于鈑金和卷收器支架的更改，對應的內飾板也需要重新開模，增加和鈑金對應的安裝孔。這樣再改動三個件，主要是孔的改變的情況，以此達到優化目的。下圖1，圖2是優化前后的數模。

4 優化結果

利用上面的仿真模型我們得到了較好的仿真計算結果，結果表明新設計對卷收器支架扭轉變形改善明顯。按照設計流程，我們按照CAE分析結果，設計出了相對應的CAD數據，及其相關的工藝文件。在一切設計完成后，我們對這幾個零件進行了變參研究。最終得到了和仿真要求一樣的物理樣車。

在物理樣車之后，我們設計了滑臺試驗來驗證優化方案的準確性。滑臺試驗是白車身，座椅，儀表，安全帶，方向盤，儀表等組成。滑車波形參考整車碰撞波形，并在該波形的基礎上乘于1.2倍，確保試驗遠遠嚴苛于實際。

從滑臺試驗后，卷收器支架的變形可以看出，支架的扭轉變形很小，符合仿真分析的預期，達到了優化設計開發目的，極大地提高了卷收器抗扭轉變形的能力，對整車約束系統在極端工況下的安全性、穩定性、可靠性有很大改善，是成功的、工程化設計方案，如圖3所示。

5 結論

本文從產業實際出發，提出了高于國標設計的企業標準要求，對用戶負責，提供了相應有限元模型的組成及相關標準。依照物理試驗，設計出了對應的有限元模型，節約了計算資源和時間。結合工程實際和成本等因素，優化出了滿足極端工況的卷收器支架，并得到物理樣件=，利用滑車試驗資源，自己提出相對應的加載條件，考核了設計在系統集成中的可行性，結果表明設計是成功的，在極端工況下，性能都遠超國標要求，達到了設計預期和目的。本文整理出了一整套仿真分析、優化設計、試驗設計、試驗驗證的開發流程，可為其它零部件的正向開發、優化設計提供借鑒。

參考文獻

[1]胡遠志，潘華，凡沙沙，等.基于模塊化的約束系統高精度建模方法研究[J].重慶理工大學學報（自然科學版），2017（7）：7-17.

收稿日期：2019-05-06

作者簡介：李文鳳（1984—），男，江西豐城人，碩士研究生，工程師，研究方向：汽車碰撞。

Application ?of New Technology in Solving Torsional Deformation of Retractor Bracket

???????????????????????????LI Wenfeng

（Jiangling Motor Co.， Ltd.， Nanchang ?Jiangxi ?330001）

Abstract：?With the continuous improvement of the economic level， more and more consumers have automobile products， and consumers pay more attention to the quality and safety of automobile products. One of the most important safety products in passive safety of automobiles is the seat belt. Its normal function， especially in some extreme working conditions， is very important to ensure its safety. This paper greatly improves the performance reliability of a certain product safety belt under extreme conditions through static and dynamic simulation techniques and auxiliary means of experimental inspection.

Keywords： seat belt; normal work; extreme working conditions; reliability