新型主動式安全帶鎖止系統研究

葛亮， 劉微靜

(奧托立夫(上海)汽車安全系統研發有限公司，上海 201800)

0 引言

安全帶是車用乘員保護系統中最直接也是最主要的部件。安全帶的主要作用是在車輛加速度(減速度)、角度(包括傾斜、翻滾)、以及織帶拉出速度超過設定閾值時，禁止織帶被繼續拉出，從而通過織帶給乘員提供約束，避免乘員撞擊到前方物體，如方向盤或前排座椅等。在當前的主流設計中，車輛加速度和角度感應主要通過內置于安全帶的一個鋼珠來實現，稱為車輛敏感件。在車輛加速度或傾斜角度超過閾值時，鋼珠從球座中脫出，撥動撥爪，觸發鎖止機構動作。織帶拉出速度主要依靠芯軸上的離心塊，稱為織帶敏感件。當織帶被快速拉出時，芯軸在織帶的作用下快速轉動。由于離心塊被安裝在芯軸側面的偏心位置，在離心力作用下運動，觸發鎖止機構動作。車輛敏感件與織帶敏感件觸發的鎖止機構為同一套鎖止機構。鎖止機構采用棘輪原理，棘齒在安全帶框架上固定不動，棘爪安裝于芯軸上，未觸發時隨芯軸轉動。當鎖止機構被觸發后，棘爪伸出，鉤住安全帶固定框架，阻止芯軸轉動，從而實現鎖止功能，織帶不再拉出。

盡管該系統的可靠性與穩定性在實際生產中得到驗證，但仍然存在以下幾個難以改善的問題:(1)棘爪伸出位置與棘輪齒的位置需要高度配合，否則易出現齒間對碰、滑齒、卡死等嚴重問題。這給裝配和零件穩定性提出了極高的要求。(2)織帶敏感件依靠離心力工作，無論織帶被快速拉出還是被快速放回，都會動作。因此當乘員解開安全帶后，織帶在卷簧的作用下快速收回時，有一定概率被鎖死，導致乘員下次使用時無法拉出織帶。這種現象稱為Back Locking。該問題由設計原理導致，目前主要供應商都沒有較好的解決方案。(3)車輛敏感件為自由運動的鋼珠，在車身運動中，極易由于震動而出現噪聲。在當前整車噪聲控制越來越好的環境下，該問題日漸突出。(4)考慮到乘客舒適性需求，主機廠對鎖止閾值的誤差范圍要求越來越嚴格，當前機械系統受制于零件和裝配工藝，無法滿足部分主機廠要求。(5)為適應主動安全系統發展，越來越多的主機廠提出了電子車輛敏感的概念，通過傳感器感知車輛狀態并通過執行機構控制觸發，當前設計不能滿足這一未來市場需求。

考慮到近年來圍繞現有鎖止系統的改良和提高零件生產及裝配水平的工作已逐漸接近極限，從整體角度重新考慮新的適用于未來市場的鎖止系統已經迫在眉睫。作者將探討一種鎖止系統方案，該方案裝配和加工精度要求較低，工作噪聲小，極大緩解Back Locking現象，且可適用于電子化安全帶，配合電子鎖止系統。

1 結構設計

新系統主要結構如圖1及圖2所示。滾針保持架1兼有3個功能：(1)保持滾針3的位置和移動方向。(2)其圓盤狀的齒形結構可配合現有的鋼珠車輛敏感件，也可改為齒輪或其他形式，配合電子驅動機構，實現電控鎖止。(3)為C形彈簧2提供結構支撐。C形彈簧2的作用是提供向心的彈簧力，在非鎖止狀態下，確保滾針3貼合在芯軸5上，避免誤鎖止或噪聲。滾針3可在保持架或芯軸的帶動下作徑向移動。當滾針同時與鎖止環4和芯軸5接觸時，在自鎖效應下，確保芯軸被鎖止。鎖止環4固定于框架上，鎖止時，其內圓面與滾針接觸，并承擔鎖止時來自于織帶的扭矩。芯軸5左側軸頭部分弧面可推動滾針向外運動，直到接觸到鎖止環的鎖止面，此時芯軸被鎖死。元件6為框架。

圖1 鎖止原理

圖2 組裝結構

2 理論分析

該套系統可實現的功能包括：車輛敏感鎖止，織帶敏感鎖止;同時大幅降低Back Locking概率，即使發生也極易消除。

(1)車輛敏感鎖止。保持架頂端的齒盤可配合傳統車輛敏感零件。當車輛狀態超過閾值時，車輛敏感件伸出棘爪，卡住保持架齒盤上的棘齒，阻止保持架隨芯軸轉動。此時，如芯軸逆時針轉動，滾針會在曲面作用下，沿徑向向外運動，直到與鎖止環內圓面接觸，此后在摩擦角的作用下，保持芯軸、滾針與鎖止環三者固定，達到鎖止效果。如將保持架齒盤棘齒更換為斜齒輪或其他形式，則可利用外部驅動元件，使保持架順時針轉動，并依靠電子傳感器感應車身狀態，主動控制鎖止或解鎖。與機械式車輛敏感方案相比，電子鎖止在出發后，不需要芯軸逆時針轉動即可鎖止，可進一步減少在碰撞過程中織帶被拉出的量，更有利于乘員保護。

(2)織帶敏感鎖止?？棊П豢焖俪槌鰰r，存在以下兩種可能的狀態：①當芯軸轉動的角加速度超過閾值時，保持架、滾針在慣性的作用下，角加速度有延遲，即相對芯軸有相對轉動。此時由于芯軸弧面的作用，滾針沿徑向向外運動，直到與鎖止環內圓面接觸，形成鎖止。②當芯軸轉動速度達到閾值，假設此時未觸發鎖止，滾針在離心力作用下沿徑向向外運動，直到與鎖止環內圓面接觸，形成鎖止。其中C形彈簧在常態下用于使滾針保持向心收緊，避免震動下產生噪聲。在織帶敏感鎖止過程中，彈簧力用以平衡離心力，因此調節彈簧力或滾針、保持架質量即可控制織帶敏感出發閾值。織帶敏感鎖止同車輛敏感鎖止也可由外部控制，驅動保持架觸發鎖止。

(3)Back Lock形成原因在于:當芯軸在卷簧的作用下，逆時針轉動回收織帶時，織帶敏感鎖止零件跟隨同步轉動;當全部織帶回收完畢后，織帶繃直，芯軸轉動受限，突然停止轉動;此時織帶敏感零件在慣性作用下繼續轉動，與芯軸有相對運動，進而導致誤鎖止。在傳統的安全帶設計中，采用棘齒鎖止機構，發生誤鎖后，如果需要解鎖，則需要退回一小段織帶，使芯軸反向轉動一定角度后，棘齒脫離鎖止區間，才可解除鎖止。由于棘齒形狀所限，一般需要回退10 mm以上織帶，才能解除誤鎖止。新型鎖止機構同樣依靠慣性原理觸發織帶敏感鎖止，因此無法完全避免Back Lock現象，但由于新型鎖止機構采用連續曲面，各鎖止零件為線接觸，沒有所謂的鎖止區間，因此極大地降低了鎖止發生的概率。同時，即使鎖止發生，也只需要極小的回退距離即可解鎖。實驗表明，通?；赝私怄i距離小于3 mm。

3 實驗裝置

實驗時，安全帶被安裝于一個電動平臺，該平臺可在水平方向做加速運動，模擬車輛加速，也可實現多角度偏轉，模擬車身角度狀態。同時該設備可快速抽拉織帶，模擬織帶被快速拉出的情況。該設備符合歐洲經濟委員會汽車標準法規——安全帶及成人約束系統2008版附錄四要求。

4 測試方法

(1)測試目的：對比新舊鎖止系統差異。

(2)測試樣件：量產安全帶3件，搭載新鎖止系統安全帶3件(搭載機械車輛敏感件)。

(3)測試方法：參考歐洲經濟委員會汽車標準法規——安全帶及成人約束系統2008版6.2.5.3。要求在車輛加速度為0.3g～0.45g之間鎖止，要求織帶拉出加速度為0.8g～2.0g之間鎖止，要求車輛傾斜角度在12°～27°之間鎖止。同時執行30次快速織帶回收，考察Back Locking現象。

5 結果分析與討論

實驗結果如表1所示，新型鎖止系統在車輛敏感鎖止和織帶敏感鎖止兩項上可達到現有鎖止系統相同水平，如配合傳感器等電子系統，更可精確調整鎖止閾值，滿足不同主機廠的要求。同時，在Back Lock實驗中，新型鎖止系統誤觸發鎖止的概率遠小于當前設計，并且在誤鎖后可以很容易解鎖。

表1 試驗結果

6 結論及意義

理論分析和實驗均表明，新型安全帶鎖止系統可滿足現有主機廠的鎖止性能標準。和傳統鎖止系統相比，新系統將傳統的織帶敏感零件和鎖止棘齒合二為一，減少了零件數量，裝配和零件成本都有所下降。新系統既可配合傳統的車輛敏感零件，也可與最新的電子系統連接，形成電子鎖止系統，極大地擴大了適用范圍，適合于大規模推廣和應用。