汽車前排安全帶回收緩慢問題分析及優(yōu)化研究

郭 飛，黃塞君，張愛民

（1.廣州汽車集團股份有限公司 汽車工程研究院，廣州 511434；2.武警第一機動總隊直升機支隊，山西晉中 030600）

0 引言

汽車安全帶作為汽車必備裝置，旨在汽車發(fā)生碰撞時約束乘員降低乘員傷亡［1－4］。前排安全帶由卷收器、導向環(huán)、織帶、鎖舌、織帶下固定點、插扣鎖組成，常布置在乘員艙B柱區(qū)域內(nèi)，如圖1所示。乘員佩戴安全帶時，將鎖舌插入在插扣鎖內(nèi)，織帶分成兩段，構(gòu)成三點式安全帶。乘員解開鎖舌后，織帶依靠卷收器的回卷力，自動回收，回到靜止狀態(tài)。

圖1 汽車安全帶

在安全帶實際使用過程中，常遇見乘員解開安全帶后，織帶回收緩慢，甚至無法回收的情況，尤其在冬天或者安全帶織帶出現(xiàn)污漬的時候。該現(xiàn)象會導致安全帶織帶堆積或損壞其他零件，引起客戶抱怨［5－6］。同時隨著消費升級，消費者對安全帶的舒適性要求越來越高，安全帶能否正?；厥帐前踩珟孢m性的重要指標之一。因此安全帶能否正?；厥?，以及回收快慢也成為衡量安全帶品質(zhì)的重要參數(shù)，也是客戶用車時可感知的體驗，因此成為乘用車安全帶項目開發(fā)重要指標［7－8］。為此，本文從問題現(xiàn)象入手，深入分析該問題的力學關(guān)系。并依照FTA分析方法工具，研究影響織帶回收緩慢的兩大原因及其特點，如卷收器回卷力的影響因素及其特點、織帶回收阻力的影響因素及其特點，并對此分別做了優(yōu)化設(shè)計及驗證。旨在找到該問題的一般規(guī)律及優(yōu)化路徑，有利于提升安全帶開發(fā)質(zhì)量及效率。

圖2 回收緩慢的安全帶

1 安全帶回收力學分析

1.1 安全帶安裝方式

因考慮安全帶固定點強度及整體設(shè)計風格需要，前排安全帶由于安全帶固定點強度要求，通常將卷收器布置在車身B柱鈑金里面，通過導向環(huán)將織帶固定在B柱上方鈑金，并在B柱下方鈑金或座椅左側(cè)骨架設(shè)置安全帶緊固點，插扣鎖布置在座椅右側(cè)骨架，如圖3所示。卷收器與導向環(huán)之間的織帶通常隱藏在B柱飾板內(nèi)。

圖3 前排安全帶布置位置圖

1.2 安全帶力學關(guān)系

根據(jù)織帶回收路徑及力學分析可知，織帶自動回收在于收到了卷收器卷簧力作用，織帶運動路徑上存在阻力。經(jīng)分析可知，織帶承受Z方向的力遠大于X、Y方向的力，為了突出卷收器卷簧力與阻力沖突點，簡化力學模型，僅研究Z方向的力學關(guān)系，如圖3所示。并做如下說明：F為卷收器回卷力；f為織帶回收阻力；f1為織帶與導向環(huán)摩擦力；f2為織帶與中間導向支架摩擦力；f3為織帶與導向套摩擦力；f4為織帶及鎖舌重力。可得：f＝f1＋f2＋f3＋f4；ΔF＝F－f。

根據(jù)牛頓力學定律可知，當鎖舌解開后，有以下3種情況：

（1）ΔF?0，即卷收器回卷力遠大于織帶阻力，則織帶將受到一個拉力作用，回收迅速。雖然隨著織帶逐步回收，卷收器回卷力會逐步減?。ň砘傻膹椈蓪傩裕?，ΔF會逐步趨于0，但由于慣性作用，織帶亦可回收順暢。

（2）ΔF＞0，即卷收器回卷力略大于織帶阻力，則織帶收到的拉力較小，回收動力不足，回收緩慢，尤其隨著織帶逐步回收，卷收器回卷力會逐步減小，ΔF會逐步趨于或等于0，而織帶運動慣性不足，使得織帶無法回收到位。

（3）ΔF＝0，即卷收器回卷力等于織帶阻力，則織帶不會受到拉力，不會回收。

因此，織帶能夠順暢回收到位的前提條件是，卷收器回卷力初始值遠大于織帶運動所受到的阻力，并在織帶回收過程中，卷收器回卷力始終大于織帶阻力。

2 安全帶回收緩慢影響因素分析

2.1 影響因素FTA分析

根據(jù)上述分析結(jié)論可知，卷收器回卷力和織帶阻力是影響安全帶回收緩慢兩大原因［9］，依照FTA原因分析方法，對該問題做如下解析，如圖4所示。

圖4 安全帶回收緩慢FTA分析圖

2.2 卷收器回卷力影響因素分析

織帶拉出后，卷收器里面的卷簧受到了擠壓，待織帶解開后，則受到擠壓的卷簧會產(chǎn)生回卷力（即彈簧的回彈力），把織帶拉回［6，10，11］。而卷簧的回卷力主要收到卷簧圈數(shù)、卷簧厚度兩個因素影響。一般來講，卷簧圈數(shù)越多卷簧的回卷力會增加；卷簧厚度越厚卷簧的回卷力會增加。但卷簧的圈數(shù)及厚度并不能無限制增加或減少，而是需要選擇適中的、可實現(xiàn)的參數(shù)。

依據(jù)本問題中卷簧參數(shù)（圈數(shù)19圈、厚度0.23 mm）以及實際生產(chǎn)情況，制作了4種不同規(guī)格的卷簧，并分別測試了回卷力，其測試結(jié)果如表1所示。

表1 不同規(guī)格卷簧回卷力測試結(jié)果

對比A、B、C、D樣測試結(jié)果，可得如下結(jié)論：

（1）卷簧圈數(shù)相同時，增加卷簧厚度，會增加卷簧回卷力，但同時也會提升回卷力標準差，說明卷簧厚度增加會降低產(chǎn)品一致性。

（2）卷簧厚度相同時，增加卷簧圈數(shù)，會增加卷簧回卷力，且會降低回卷力標準差，說明卷簧圈數(shù)增加提升產(chǎn)品一致性，有利于品質(zhì)管控。因此在面對卷收器回卷力不足時，優(yōu)先采用增加卷簧圈數(shù)。

2.3 織帶回收阻力影響因素分析

根據(jù)FTA分析圖可知，導致安全帶回收緩慢另一原因是織帶回卷阻力大，等于或接近卷簧的回卷力。而卷收器的回卷力又不能無限制的增加，因此如何降低織帶回收阻力是研究該課題的另一個方向。從圖3可知，織帶回卷阻力可以分為織帶與導向環(huán)摩擦力、織帶與中間導向支架摩擦力、織帶與導向套摩擦力、織帶及鎖舌重力。而產(chǎn)生這4種阻力的因素排序依次是織帶回收路徑布置、織帶及環(huán)境件摩擦系數(shù)、織帶及鎖舌克重。

2.3.1 織帶回收路徑影響阻力分析

織帶在鎖舌解開后，則沿著既定的回收路徑回收到卷收器內(nèi)，對織帶路徑有影響的零件有座椅面套、B柱飾板、B柱鈑金。尤其對于B柱飾板內(nèi)隱藏路徑織帶的布置形式對織帶回收有較大影響。

根據(jù)分析可知，B柱內(nèi)布置盡可能少接觸零件，路徑單一化，避免多次環(huán)繞，避免調(diào)整角度過大。如無中間導向支架的織帶路徑要比有中間導向支架的織帶路徑的阻力更小、調(diào)整角度小的織帶路徑要比調(diào)整角度大的織帶路徑的阻力更小，隱藏式導向環(huán)的織帶路徑要比外露式導向環(huán)的織帶路徑的阻力更小。另外座椅面套、門飾板可能會阻礙織帶運動，如織帶運動時，會膈應(yīng)織帶。如座椅比較靠前時，織帶在回收過程中，會產(chǎn)生較大的阻礙。

2.3.2 織帶與環(huán)境件摩擦系數(shù)影響阻力分析

織帶通常是采用編制滌綸材質(zhì)編制成五條紋或七條紋外觀紋路，其表面有一定粗糙度，與導向環(huán)或?qū)蛑Ъ艿任矬w接觸時，會產(chǎn)生摩擦力。也可采用低摩擦系數(shù)的織帶生產(chǎn)工藝，如無條紋編制，使得織帶表面光滑、觸感細膩，降低織帶表面摩擦系數(shù)。

導向環(huán)是織帶穿過B柱的重要零件，通常導向環(huán)由塑料及鋼板制成，由緊固螺柱固定于B柱或高調(diào)器，并可以繞其旋轉(zhuǎn)，如圖5所示。因此導向環(huán)與織帶接觸部位的材料尤為關(guān)鍵，通常會采用低摩擦系數(shù)的材料，如鑲嵌光滑金屬片，也可以選擇與織帶不易起摩擦的材料，如POM。而織帶回收過程中，往往會伴隨著導向環(huán)回位和調(diào)整，因此導向環(huán)能否正?；蝽槙车男D(zhuǎn)也是影響織帶阻力的重要原因。通常會采用嚴格控制導向環(huán)、緊固螺栓、B柱飾板配合尺寸及其公差，使其旋轉(zhuǎn)流暢。

圖5 普通導向環(huán)與鑲嵌金屬片導向環(huán)對比圖

2.3.3 織帶及鎖舌克重影響阻力分析

鎖舌是為了插入鎖扣佩戴安全帶的零件，通常鎖舌由塑料及鋼板制成，其大小尺寸及樣式大同小異。但根據(jù)使用要求，動態(tài)鎖止鎖舌結(jié)構(gòu)較普通鎖舌更為復雜，重量也更重一些，如圖6所示。因此動態(tài)鎖止鎖舌會增加織帶回收阻力，不利于織帶回收。此外織帶克重也是影響織帶阻力的原因之一，因為織帶克重越大，則織帶整體重量越大，則織帶在回收過程中，織帶阻力越大。

圖6 普通鎖舌和動態(tài)鎖止鎖舌對比圖

3 優(yōu)化設(shè)計及驗證分析

3.1 卷收器回卷力優(yōu)化設(shè)計及驗證

如2.2節(jié)分析結(jié)論，可以通過增加卷簧圈數(shù)及卷簧厚度來增加回卷力，且表1結(jié)果表明，卷簧圈數(shù)比卷簧厚度更有利于提高卷簧的回卷力。但是伴隨著回卷力的增加，其卷簧的拉出力也會隨之增加，會增加安全帶拉出力，拉出困難、生涉，由于對于單手拉織帶或女性使用者影響較大，因此卷簧回卷力的增加必須考慮到拉出力的表現(xiàn)情況。

針對2.2節(jié)所述的4種不同卷簧規(guī)格的卷收器，分別測試其拉出力大小，如表2所示。其測試結(jié)果表明，C樣的拉出力相比A樣，拉出力增加較為不明顯，適合解決本問題的方案。

表2 不同規(guī)格卷簧的織帶拉出力測試結(jié)果

3.2 織帶回收阻力優(yōu)化設(shè)計及驗證

相比于卷收器回卷力增加會帶來拉出力增加，織帶回收阻力則不僅可以改善安全帶回收緩慢問題，同時也可以減小安全帶拉出力。但織帶回收阻力不可無限制降低，同時還收到成本制約。分別就織帶回收阻力各種影響，分別測試不同形式的拉出力大小，如表3所示。測試結(jié)果表明普通鎖舌相對于動態(tài)鎖止鎖舌對織帶回收阻力的影響較大，同時導向環(huán)采用鑲嵌光滑金屬片也對織帶回收阻力改善較大，以上兩種適合解決本問題的方案。

表3 改善方案后織帶拉出力減小量的測試結(jié)果

4 結(jié)束語

綜上分析可知，安全帶回收緩慢問題涉及原因較多，且回卷力、拉出力、回收阻力之間相互作用，但通過原理及原因剖析，以及相關(guān)優(yōu)化設(shè)計及試驗結(jié)果測試，可得如下結(jié)論：

（1）織帶能夠順暢回收到位的前提條件是，卷收器回卷力初始值遠大于織帶運動所受到的阻力，并在織帶回收過程中，卷收器回卷力始終大于織帶阻力。

（2）卷收器回卷力對織帶回收至關(guān)重要，且影響織帶拉出力。在適應(yīng)性優(yōu)化過程中，卷簧圈數(shù)要比卷簧厚度更利于提升卷收器回卷力，同時對織帶拉出力的影響較小。

（3）降低織帶回收阻力不僅有利于織帶回收，也利于織帶拉出，但織帶回收阻力不可無限制降低，也收到成本制約，在適應(yīng)性優(yōu)化過程中，鎖舌克重及導向環(huán)光滑金屬片對織帶回收阻力改善較大。