基于solidworks的安全帶車感性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)的研制

于保軍 于文函 劉勝巖 于丙金 朱薈霖

摘 要：安全帶作為汽車被動(dòng)安全裝置對(duì)駕駛員和乘員的安全起著至關(guān)重要的作用，因此設(shè)計(jì)一種安全帶車感性能性能的檢測(cè)設(shè)備具有良好的市場(chǎng)前景。本研究基于國(guó)標(biāo)的要求設(shè)計(jì)了卷收器夾具、織帶夾具、直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和旋轉(zhuǎn)平臺(tái)并對(duì)其結(jié)構(gòu)、原理和作用做了說(shuō)明。為了保護(hù)設(shè)備，研究設(shè)計(jì)了相應(yīng)織帶夾具的氣動(dòng)緩沖裝置和直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的液壓緩沖裝置。

關(guān)鍵字：安全帶;緊急鎖止;車感;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U471? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1671-7988（2019）04-89-04

前言

2015年，我國(guó)共發(fā)生交通事故187781次，死亡58022人，受傷199880人。^[1]2016年年末全國(guó)民用汽車保有量已達(dá)到19440萬(wàn)輛，未來(lái)數(shù)年仍將持續(xù)增長(zhǎng)。^[2]據(jù)交管部門統(tǒng)計(jì)，不系安全帶是交通事故死亡的主要原因之一，每10萬(wàn)人中約有2人因不系安全帶死亡。研究數(shù)據(jù)表明，安全帶在交通事故碰撞過(guò)程中平均可減少45%～73%的人員傷亡，在交通事故中，未正確佩戴安全帶的乘員的危險(xiǎn)度僅為正確佩戴安全帶乘員的0.39倍^[3]，若同時(shí)配合使用安全氣囊，死亡率減少63%。^[4]安全帶作為汽車被動(dòng)安全^[5]裝置，已經(jīng)有很多文獻(xiàn)研究了卷收器的結(jié)構(gòu)^[6-9]，但是很少研究者提出安全帶車感和帶感性能檢測(cè)設(shè)備的相關(guān)設(shè)計(jì)。本研究基于國(guó)標(biāo)對(duì)安全帶緊急鎖止的要求，設(shè)計(jì)出一套可以檢測(cè)汽車安全帶車感和帶感的設(shè)備。

1 車感檢測(cè)設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 安全帶緊急鎖止性能的國(guó)標(biāo)要求

從表1可知車感實(shí)驗(yàn)需要對(duì)卷收器進(jìn)行加速度和安裝角度的改變，帶感實(shí)驗(yàn)需要對(duì)織帶進(jìn)行加速度的改變。本研究設(shè)計(jì)的卷收器夾具、織帶夾具、電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)、直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)配合使用可以完成汽車安全帶車感檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。

1.2 車感性能檢測(cè)設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)布局

Solidworks以其功能強(qiáng)大和易用性等特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用到機(jī)械制造行業(yè)中。設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分如圖2所示。圖中1為電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái);2為直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái);3為卷收器夾具;4為織帶夾具。車感試驗(yàn)是把3號(hào)夾具取出并固定在左側(cè)的1號(hào)夾具上，并將安全帶卷收器固定在3號(hào)夾具上，然后將安全帶的織帶自由端通過(guò)動(dòng)頭上的轉(zhuǎn)軸，水平壓附于負(fù)荷傳感器上，并由2號(hào)夾具夾緊。整個(gè)2號(hào)夾具固定在主框架上，試驗(yàn)時(shí)由計(jì)算機(jī)控制直線電機(jī)帶動(dòng)直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)按指定加速度加速、停止。整個(gè)設(shè)備的尺寸為1500*600*1600（mm）。車感實(shí)驗(yàn)的運(yùn)動(dòng)部分設(shè)計(jì)在設(shè)備的中間偏左，固定部分設(shè)計(jì)在右手方便活動(dòng)的位置。設(shè)備的主要機(jī)械結(jié)構(gòu)部分布局合理、方便拆卸和安裝，符合人機(jī)工程學(xué)原理。

1.3 車感性能檢測(cè)設(shè)備的卷收器夾具設(shè)計(jì)

如圖2所示，安全帶卷收器固定安裝在試件安裝板上，試件安裝板和U型旋轉(zhuǎn)調(diào)整夾具都可以旋轉(zhuǎn)達(dá)到調(diào)整卷收器安裝角度的作用。固定板起著定位卷收器的作用，底板和底板支架上的孔為減重孔。支架固定時(shí)，U型旋轉(zhuǎn)調(diào)整夾具可繞支架固定孔旋轉(zhuǎn)，再通過(guò)支架調(diào)整孔固定;上端固定座可繞U型旋轉(zhuǎn)調(diào)整夾具固定孔旋轉(zhuǎn)，再通過(guò)左右調(diào)整孔固定。卷收器夾具可攜帶安全帶卷收器，在垂直平面內(nèi)進(jìn)行0-90?任意旋轉(zhuǎn)測(cè)試車感部件鎖止性能。

1.4 電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖3所示，卷收器夾具固定在電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)上，整個(gè)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)由步進(jìn)電機(jī)控制。該轉(zhuǎn)臺(tái)可以在水平面上攜帶安全帶卷收器進(jìn)行0°、90°、180°、270°四個(gè)角度旋轉(zhuǎn)，這可以試驗(yàn)車上各個(gè)安裝位置的卷收器工況。底座固定在直線電機(jī)上可以實(shí)驗(yàn)不同加速度運(yùn)動(dòng)的工況。選用的此步進(jìn)電機(jī)沒(méi)有抱閘功能，所以旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的左端設(shè)計(jì)了一個(gè)線拉剎車。每次車感實(shí)驗(yàn)調(diào)整完角度后，由PLC控制氣缸，氣缸收到命令后收縮拉緊閘線致使線拉剎車抱死剎車片，支撐平臺(tái)得以固定。

1.5 車感性能檢測(cè)設(shè)備的織帶夾具設(shè)計(jì)

如圖4、5所示，卷收器固定在卷收器夾具上，織帶自由端繞過(guò)氣缸活塞連接板并穿過(guò)膜盒式稱重傳感器和L 型支架之間的縫隙，最后將自由端鋪平放于偏心輪與擠壓底座縫隙中，轉(zhuǎn)動(dòng)偏心輪的手柄擠壓安全帶織帶，產(chǎn)生摩擦力達(dá)到加緊效果。滑塊可沿固定底座上的導(dǎo)軌滑動(dòng)，并通過(guò)安裝在其前端的緩沖氣缸活塞桿回位。織帶自由端通過(guò)L型支架下方的膜片式力傳感器測(cè)出安全帶織帶張力并通過(guò)公式轉(zhuǎn)化為織帶的拉力。織帶夾具固定底座上有四個(gè)銷孔可固定在直線電機(jī)上固定實(shí)現(xiàn)不同加速度運(yùn)動(dòng)的帶感實(shí)驗(yàn)。

2 直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和氣動(dòng)緩沖裝置設(shè)計(jì)

如圖6所示，圖3的旋轉(zhuǎn)電機(jī)沿著導(dǎo)向柱由快速夾鉗固定在底板上，直線電機(jī)在計(jì)算的控制下帶動(dòng)平臺(tái)沿著運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)的加速度由加速度傳感器檢測(cè)并反饋給電腦。如圖7所示直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)行程由伸出和縮回限位確定，整個(gè)平臺(tái)最后由液壓緩沖器實(shí)施保護(hù)。

由于緩沖汽缸的作用，安全帶鎖止前，車感夾具與直線電機(jī)一同動(dòng)作，動(dòng)頭達(dá)到指定加速度時(shí)，如果安全帶鎖止，則汽缸伸出，實(shí)現(xiàn)緩沖，完成一次試驗(yàn)。緩沖氣缸可以在車感和帶感鎖止時(shí)保護(hù)安全帶、卷收器和夾具。

3 實(shí)驗(yàn)

測(cè)試開始前首先要進(jìn)行聯(lián)機(jī)操作，將直線電機(jī)（parker伺服驅(qū)動(dòng)器控制）的兩個(gè)動(dòng)頭運(yùn)動(dòng)到起始位置。在運(yùn)動(dòng)程序中設(shè)定動(dòng)頭運(yùn)動(dòng)的加速度、位移及判斷條件等參數(shù)。在發(fā)出運(yùn)動(dòng)開始命令后，動(dòng)頭將在伺服控制下按照其指定的加速度、位移等參數(shù)完成運(yùn)動(dòng)。而運(yùn)動(dòng)過(guò)程中通過(guò)訪問(wèn)伺服控制器可以獲得直線電機(jī)動(dòng)頭運(yùn)動(dòng)的實(shí)際速度。通過(guò)檢測(cè)安裝在動(dòng)頭上的加速度傳感器數(shù)據(jù)，可以獲得加速度值。通過(guò)檢測(cè)安裝于夾具前方的負(fù)荷傳感器的數(shù)據(jù)，可以得到負(fù)荷的數(shù)值。如圖9所示，本設(shè)備可以較好地完成車感實(shí)驗(yàn)。

4 結(jié)論

a）本研究提出的卷收器夾具和織帶夾具配合使用可以完成卷收器和織帶的固定、測(cè)力、緩沖等作用。

b）本研究提出的電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)通過(guò)步進(jìn)電機(jī)控制實(shí)施各種角度的改變進(jìn)而改變卷收器的安裝角度。

c）本研究提出的直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)加速度的改變、運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)和停止由直線電機(jī)控制。直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上安裝的加速度傳感器可以實(shí)施反饋給電腦。

d）本研究提出的氣動(dòng)緩沖裝置可以對(duì)直線電機(jī)和運(yùn)動(dòng)平臺(tái)起到緩沖和保護(hù)作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 國(guó)家統(tǒng)計(jì)局.2016年統(tǒng)計(jì)年鑒[EB/O L].（2016-10-12）[2018-6-21]. http：//www.stats.gov.cn/tjsj/ndsj/2016/indexch.htm.

[2] 國(guó)家統(tǒng)計(jì)局.中國(guó)人民共和國(guó)2016年國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)[EB/OL].（2017-6-21） [2018-6-21]. http：// www.stats.gov.cn/tj.sj/ zxfb/201702/t20170228_1467424.h tml.

[3] 王聰聰.基于磁流變的安全帶鎖止器力學(xué)性能分析[D].上海工程技術(shù)大學(xué)，2014.

[4] 楊梅.汽車安全帶緊急鎖止性能綜合試驗(yàn)臺(tái)的研制[D].長(zhǎng)春理工大學(xué)，2012.

[5] 楊梅，田春艷.汽車安全帶緊急鎖止性能試驗(yàn)臺(tái)的研制[J].長(zhǎng)春工程學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，14（1）25-28.

[6] 田林.安全帶卷收器鎖止性能研究及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析[D].重慶大學(xué)，2016.

[7] 趙曉昱.復(fù)合敏感緊急鎖止式汽車安全帶鎖止性能的研究[J].汽車技術(shù)，2011（11）：41-44.

[8] 萬(wàn)鑫銘.基于虛擬試驗(yàn)的汽車前碰撞安全氣囊防護(hù)效率的研究[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2006.

[9] 張學(xué)榮正面碰撞安全帶約束系統(tǒng)開發(fā)與試驗(yàn)驗(yàn)證[J].汽車工程， 2007，29（12）1005-1058.

[10] 中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì). GB 14166-2013，機(jī)動(dòng)車乘員用安全帶，約束系統(tǒng)，兒童約束系統(tǒng)和ISOFIX兒童約束系統(tǒng) [S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社出版發(fā)行，2013.