基于ADAMS的汽車安全帶卷收器車身敏感鎖止性能研究

杜 力，鮑馬飛，2，洪俊坤，2，杜彥斌

（1.重慶工商大學制造裝備機構設計與控制重慶市重點實驗室，重慶 400067；2.重慶理工大學機械工程學院，重慶 400054）

汽車安全帶是汽車安全約束系統最重要的組成部分。近年來，隨著汽車保有量的增多，汽車安全事故頻頻發生，其中汽車安全帶對保護汽車成員的安全有著不可替代的作用［1-5］。目前，我國已經出臺了強制標準GB14166—2013《機動車成員用安全帶、約束系統、兒童約束系統和ISOFIX兒童約束系統》。本文介紹了緊急鎖止式卷收器結構組成以及工作原理，并對鎖止結構進行了理論分析，研究了車感座凹槽傾角與鎖止時間的關系以及凹槽傾角與最小鎖止加速度之間的關系。

1 安全帶卷收器鎖止機構的組成及工作原理

1.1 緊急鎖止式卷收器結構組成

卷收器是一種用于全部或部分卷收安全帶織帶的裝置，根據其功能可分為無鎖式卷收器（1型）、手調式卷收器（2型）、自鎖式卷收器（3型）、緊急鎖止式卷收器（4型）以及高響應緊急鎖止式卷收器（4N型）。圖1為緊急鎖止式卷收器結構，圖2為緊急鎖止式卷收器爆炸圖［6］。

圖1 緊急鎖止式卷收器結構

如圖1所示，緊急鎖止式卷收器大體可分為鎖止端、盤簧端、旋轉芯軸以及支架。其中，鎖止端在緊急情況下起鎖止作用，盤簧端負責安全帶織帶的卷收，旋轉芯軸纏繞織帶，支架起固定支撐作用［7］。

緊急鎖止式卷收器各結構組成如圖2爆炸圖所示。

圖2 緊急鎖止式卷收器爆炸圖

1.2 緊急鎖止式卷收器盤簧端

卷收器織帶的拉出與回卷是通過盤簧端的盤簧回卷力來實現的。圖3是切掉盤簧蓋上端部分后的示意圖，其中盤簧的一端與盤簧蓋在b處通過異形結構卡死，盤簧另一端在d處與盤簧壓蓋上的異形結構卡死。當織帶拉出時，盤簧順時針轉動，產生預緊力。當拉出織帶的拉力釋放時，在盤簧預緊力的作用下，芯軸逆時針旋轉，織帶被回卷。

1.3 緊急鎖止式卷收器鎖止端

緊急鎖止式卷收器有2種鎖止方式：車身敏感鎖止和織帶敏感鎖止。其結構見圖4。

織帶敏感鎖止是指當纏繞在芯軸上的織帶拉出加速度達到一定值時，帶感擺輪由于慣性力作用而滯后，將復位簧壓縮。帶感擺輪p處因滯后而與外齒圓盤o處接觸，然后帶感擺輪繼續隨外齒圓盤運動，當p處與鎖止端蓋q處的凸齒接觸而卡死，使得圓盤外齒卡死。棘爪繼續隨芯軸運動，但只能隨棘爪軌道運動而伸出從而棘爪與支架棘齒卡死，使得芯軸也隨之卡死，從而織帶無法繼續拉出［8-10］。

圖3 卷收器拉出回卷示意圖

車身敏感鎖止是指當車身傾斜一定角度時，敏感球由重力作用而滾動從而將車感臂抬起，車感臂與外齒圓盤上的棘齒卡死，使得外齒圓盤卡死，棘爪伸出與支架棘齒卡死，織帶無法繼續拉出；當車身減速度達到一定值時，敏感球由于慣性力的作用而將車感臂抬起，從而卡死外齒圓盤使得棘爪卡死支架棘齒而織帶無法被拉出。

圖4 緊急鎖止式卷收器結構示意圖

2 車感鎖止機構運動分析

2.1 車感臂運動分析

在車輛發生碰撞或者遇到緊急情況減速時，敏感球會在減速度的作用下發生向右的滾動，從而推動車感臂向上運動，使車感臂接觸外齒圓盤將外齒圓盤卡死，從而達到鎖止織帶的結果。

對圖5中車感臂進行受力分析。車感臂分別受到自身的重力G、慣性力Fa、敏感球對車感臂的作用力FN、摩擦力f、車感座對車感臂的作用力Fx-y作用。通過對o點求矩可得：

式中：l1為車感臂質心與o點連線長度；l2為車感臂與敏感球切點與o點連線長度；θ為敏感球與車感臂切面和l2的夾角；α為l1與水平方向的夾角；m為車感臂的質量。

由式（1）求解得到：

圖5 車感臂受力分析

2.2 敏感球運動分析

敏感球在受到減速作用后，會向右運動從而推動車感臂運動。

對圖6中敏感球進行受力分析。敏感球分別受到自身重力G、車感座的作用力F′N1、摩擦力f1、車感臂的作用力F′N、減速力F作用，故敏感球的受力表示為：

式中：δ為車感座與敏感球切點法線與豎直方向的夾角；φ為車感臂對敏感球壓力與x軸方向的夾角；m1為敏感球的質量。

圖6 敏感球運動過程受力分析圖

2.3 車感鎖止時間分析

隨著敏感球和車感臂的運動，α、θ角會不斷地變化，從而FN也會隨著α、θ角的變化而變化。實際上由于車感臂的質量較小對鎖止時間以及最小鎖止加速度的影響較小。為了降低計算量對FN可取初始位置的值［11］。

對敏感球的微分方程為：

求解式（7），敏感球的速度沿x、y的投影分別為：

求解式（9），得敏感球直角坐標形式的運動方程為：

通過式（10）可求得敏感球在x方向移動距離與時間關系為：

式（11）中的x是一個變量，隨著車感座凹槽傾角的變化也會不斷地變化，通過圖7的幾何關系可求出凹槽不同傾角下的x值。

圖7 敏感球鎖止位置關系

當敏感球到達鎖止位置時根據幾何關系可求出lPH長度為：

敏感球從初始位置到鎖止位置，在x方向移動的距離為：

將式（14）代入式（11）可求得敏感球鎖止時間。

3 ADAMS仿真分析

3.1 理論鎖止時間與仿真鎖止時間比較

在Adams中建立三維模型，將車感座凹槽傾角設為變量DV_ANGLE，其取值范圍Min.Value為12，Max.Value為24。取加速度值為0.45g，敏感球對應的慣性力為0.037 485 N。通過仿真分析，可得車感座凹槽傾角與鎖止時間的關系［9］。

將表1中的數據代入式（11），可得到理論計算上車感座凹槽傾角與鎖止時間的關系。

表1 車感鎖止機構參數

在加速度為0.45g、車感座凹槽傾角從12°～20°的情況下，通過分析和計算發現，仿真分析和理論計算的鎖止時間非常接近。

將兩種數據繪制在圖8中，可見仿真分析得到的鎖止時間雖略微偏大，但兩條曲線幾乎處于重合狀態。可認為，仿真結果可靠［10］。

圖8 理論鎖止時間與仿真鎖止時間對比圖

3.2 凹槽傾角與鎖止加速度的關系

通過Design Exploration分析設計變量對目標的影響程度，得出不同的凹槽傾角所對應的最小鎖止加速度，從而得出凹槽傾角與鎖止加速度之間的關系［11］。

以車感臂與豎直方向的最大夾角為測量目標，Design Variable取慣性力DV_Force，其范圍為0.023～0.044 N。

在外齒圓盤處添加一個傳感器，當圓盤外齒受力大于零時，即發生碰撞，分析終止。Default levels取20，對凹槽傾角為12°的情況進行分析，結果見圖9。

圖9 DV_Force影響程度分析1

車感臂與豎直方向的夾角為123°時，夾角達到最大值，外齒圓盤鎖止。可見圖9第1條曲線未鎖止，第2條曲線開始鎖止。取第1條曲線與第3條曲線之間的力，力的范圍為0.023～0.044 N，再利用Design Exploration分析，結果見圖10。

圖10 DV_Force影響程度分析2

從圖10可以看出：第4條曲線未鎖止，第5條曲線開始鎖止。在information對話框中，可以設第5條曲線所對應的慣性力大小為0.234 21 N，從而可以算出其鎖止加速度為0.281 16（m／s2）。

同理，可以求出13°～24°的最小鎖止加速度、凹槽傾角與最小鎖止加速度之間的關系，見表2。

表2給出了從12°～24°車感座凹槽傾角與最小鎖止加速度之間的對應數據。可以看出：車感座凹槽傾角與鎖止加速度之間的關系，隨著車感座凹槽傾角的增大，車感鎖止所需要的最小加速度也逐漸增大［12］。

但表中的數據無法給出連續的對應關系，也不夠直觀。為了技術人員快速驗證設計方案，利用Matlab對表2中的數據進行二次多項式擬合，得到相應的關系式并繪制成曲線圖［13］。

表2 車感座凹槽傾角與鎖止加速度關系

由圖11可知：方差SSE數量級為10-5，相關系數R-square＝1，說明擬合結果較好。因此，車感鎖止加速度a可表示為：

如圖12所示。

圖11 車感鎖止數據擬合結果

綜上所述，車感座凹槽傾角對車感鎖止加速度a影響較大。根據GB14166—2013中的規定，鎖止加速度為0.45g，傾斜敏感角為12°～27°必須鎖止。結合本例情況，車感座凹槽傾角設計在12°～20°之間最好［14］。

圖12 車感座凹槽傾角與鎖止加速度關系圖

4 結束語

汽車安全帶是汽車安全約束系統不可或缺的部分，對汽車安全有著不可替代的作用，而卷收器是安全帶的核心結構。本文介紹了緊急鎖止式卷收器的基本結構，分析了卷收器各部件的工作原理。從理論上給出了車感座凹槽的傾角與鎖止時間的關系，并與ADAMS仿真結果進行了比較。同時利用ADAMS軟件仿真，得出了車感座凹槽傾角大小與最小鎖止加速度之間的關系，并利用Matlab進行二次多項式擬合，得到兩者之間的關系式。本文的分析對系列化產品的設計和開發具有一定的理論意義。