汽車安全帶鋼絲插鎖與鋼板插鎖約束分析

高峰　劉雪姣　劉昕耀　韓嘯

摘 要：提升安全帶約束性能是安全帶行業重點關注問題，構建完善的約束系統對乘員保護具有重要的研究價值。插鎖作為汽車安全帶重要組成部分，是系統優化研究的熱點之一。柔性鋼絲插鎖和剛性鋼板插鎖是最常見的安全帶插鎖類型，文章通過仿真方式驗證鋼絲插鎖和鋼板插鎖在碰撞過程中的表現，得出在滑臺碰撞過程中柔性插鎖與剛性插鎖的約束效果不同，鋼絲插鎖對乘員約束性能更好，為優化被動安全約束系統提供更多選擇性。

關鍵詞：安全帶 鋼絲插鎖 鋼板插鎖 約束分析

1 前言

安全帶作為汽車碰撞過程中重要的保護裝置之一，在汽車的約束系統中發揮著極為重要的作用[1]。其無論是卷收器、插鎖、端片等固定點的位置均有多種多樣的形式。國外相關學者與工程人士針對卷收器的研究較為完善[2]，針對插鎖的研究卻較為缺乏。插鎖作為安全帶腰帶部分約束的重要組成部分，具有很重要的研究價值。

常見的插鎖形式如圖1所示。目前乘用汽車前排常見插鎖類型為鋼絲插鎖和鋼板插鎖，后排常見為鋼板插鎖和織帶插鎖。鋼板插鎖稱為剛性插鎖，鋼絲插鎖和織帶插鎖稱為柔性插鎖。在佩戴過程中，剛性插鎖由于支架為鋼板結構，其與假人貼合性較差，而在碰撞過程中，剛性插鎖的鋼板支架會產生變形貼合假人。柔性插鎖其支架為鋼絲或者織帶，其在佩戴過程和碰撞過程中，假人貼合性均較好。插鎖貼合性與約束效果之間的關系研究正是本文的主要內容。

安全帶動態試驗，以假人作為安全帶的加載體，通過滑車模擬碰撞試驗裝置進行[3]。本文通過仿真搭建滑車模型，驗證柔性鋼絲插鎖與剛性鋼板插鎖在碰撞過程中對假人的約束差異，對比安全帶力值表現、預緊距離、假人前移量以及假人胸壓的差異，進而分析兩種插鎖的約束效果差異。

2 安全帶仿真模型搭建

仿真模型使用實車座椅，Hybrid III型第50百分位男性假人進行仿真模擬。采用國標GB14166-2013中50km/h碰撞波形，卷收器點火時間設置為10ms。

按照國標GB14166-2013標準要求圖2所示位置，T點為軀干參考點，用以評估假人胸部前移量，P點為骨盆參考點，用以評估假人骨盆前移量。在仿真模型中測量假人的胸部前移量和骨盆前移量，判定假人運動情況。

仿真模型設置，除鋼絲插鎖與鋼板插鎖差異外，其他設置均相同，且鋼絲插鎖長度與鋼板插鎖長度基本相同，進而更加準確的直觀的對比柔性插鎖與剛性插鎖對假人約束的差異。

由于柔性插鎖和剛性插鎖在初始布置過程中本身存在的差異，我們在模型初始布置中將鋼絲插鎖鎖頭貼近假人，鋼板支架布置后與假人存在一定距離。與實際產品安裝后表現一致。

3 不同插鎖仿真結果對比

3.1 安全帶力值表現

柔性鋼絲支架曲線用Flexible表示，剛性鋼板支架曲線用Rigid表示。通過仿真運算，調取相應的仿真結果，查看安全帶卷收器力值B1、肩帶力值B3和卷收器預緊距離，如圖5所示。

由卷收器力值和肩帶力值曲線可以看出，13ms預緊開始后，鋼板插鎖相比于鋼絲插鎖的預緊力值更低，預緊后跌落更大，鋼絲插鎖限力上升提前。對比預緊距離可以看出，鋼板插鎖預緊距離更大。

預緊存在差距的原因是鋼絲插鎖的鎖舌比較貼合假人，鋼板插鎖的鎖舌與假人存在一定距離，預緊過程中，鋼板支架變形貼合假人，所以鋼板支架預緊距離大，預緊力值比較低。鋼絲支架由于與假人之間的間隙較小，所以預緊力值大，預緊距離小。

通過仿真運算，調取相應的仿真結果，查看安全帶插鎖力值B4、腰帶力值B6，如圖6所示。

由插鎖力值和腰帶力值曲線可以看出，鋼絲插鎖的插鎖力值B4和腰帶力值B6峰值位置較鋼板插鎖提前。原因是鋼絲插鎖初期更加貼合假人整體對于骨盆的約束效果更好。而相比較鋼板插鎖模型中，插鎖力值B4低，而腰帶力值B6高，查看動畫看出，鋼板插鎖模型假人在運動過程出現扭轉現象，假人繞Z軸出現向右方向的旋轉，這是導致力值差異的主要原因。

因此可以得出鋼板插鎖和鋼絲插鎖會影響假人的整體運動趨勢，通過力值表現判定鋼絲插鎖對于假人的約束效果更好。

3.2 假人位移量表現

通過對比假人胸部前移量和骨盆前移量，查看對比假人的運動趨勢，用作判定鋼板插鎖和鋼絲插鎖對假人的約束差異。按照圖2所示參考點位置，調取胸部前移量和骨盆前移量曲線如下：

通過對鋼絲插鎖和鋼板插鎖兩種工況，胸部和骨盆前移量數據對比可以看出，無論是胸部前移量還是骨盆前移量，在整個動態碰撞過程中，鋼板插鎖的前移量均大于鋼絲插鎖的前移量。

前移量是約束效果的重要衡量因素之一，在60ms最大骨盆前移量時刻，鋼板插鎖骨盆前移量大于鋼絲插鎖前移量將近31mm。由此可以得出，鋼絲插鎖的約束效果明顯高于鋼板插鎖。

3.3 假人胸部壓縮量表現

調取假人胸部壓縮量曲線對比，結果如下：

圖8中顯示，使用鋼絲插鎖的安全帶約束提前，其前期胸壓較鋼板插鎖高一些，60ms以后胸壓基本維持在33mm左右，相比鋼板插鎖胸壓有所下降。

由于胸壓的表現取決于系統約束效果，而且跟波形，點火時間都有一定的關系，因此對于鋼絲插鎖和鋼板插鎖對于胸壓的影響，鋼絲插鎖并非一定會改善胸壓。

因此，通過更改波形和點火再次進行模型驗證，其安全帶力值表現、假人前移量結果均與國標波形結果一致，而胸部壓縮量結果如下：

之前驗證的國標波形能量集中在前期80ms之前，因此設置新波形挑選能量分布時間較長，能量相對低一些，驗證結果看出，與國標波形結果相反，新波形驗證鋼絲支架胸壓更高一些。

鋼絲插鎖和鋼板插鎖對于胸部壓縮量的影響，單純使用安全帶工況驗證并無法完全代表系統表現。由于鋼絲支架前期貼合假人，因此鋼絲插鎖工況在前期假人的胸壓通常高于鋼板插鎖，而在后期是否能改善胸部壓縮量，并不是肯定的，需要進行系統匹配。如假人胸壓峰值出現在假人砸向氣囊的時間內，鋼絲插鎖有較好的約束效果，對于假人前傾會有改善，在特定情況下是可以達到胸壓改善的效果。

安全帶的約束性需要考慮多方面的因素，約束性好的安全帶有時會導致胸壓升高，例如高扭力桿的安全帶同等情況下胸壓會更高，因此對于約束性能的研究是需要在整車安全系統中優化的，根據車型不同，其需要的約束程度也不同。

較好的約束在系統匹配中更容易實現系統優化的目的。乘員位移量減少，乘員和儀表板等內飾之間的距離增多[4]，因此可以在原限力值基礎上，降低限力等級，以實現系統優化的目的，為系統優化提供更多選擇性。

4 結論

本文對比鋼絲插鎖與鋼板插鎖在仿真滑臺中的系統表現差異，關注內容包括安全帶力值，預緊距離，假人前移量以及胸部壓縮量。得出以下結論：

（1）鋼板插鎖與假人間隙量大，通過卷收器力值B1和肩帶力值B3可以看出，鋼板插鎖預緊力值更低，預緊量更大，腰部力值B4和B6峰值均延后，力值對比表明鋼絲插鎖約束效果比鋼板插鎖更好。

（2）通過對比骨盆前移量和胸部前移量，鋼絲插鎖前移量整個運動過程均小于鋼板插鎖前移量，可以得出鋼絲插鎖對胸部和骨盆的約束效果明顯高于鋼板插鎖。

（3）鋼絲插鎖和鋼板插鎖對于胸壓的影響，要綜合考慮整個系統的表現。車身環境，碰撞波形，點火時間等因素都會導致胸壓的差異。鋼絲插鎖的約束性更高，為系統匹配提供更多可優化設計的選擇性，對空間較小的車型系統匹配更加有利。

安全帶的存在本身就是一種對乘員的約束，在保證人身安全基礎上，提升安全帶的約束性能一直是安全帶行業追求的目標。常見的預緊產品，鎖止鎖舌等目的都是提升對假人的約束效果，而本文提出的鋼絲插鎖約束效果高于鋼板插鎖，為提高系統約束提供又一種可供選擇的方案，為被動安全系統匹配提供更多新形式的選擇。

參考文獻：

[1]張騁．安全帶在約束系統集成中的應用[J].時代汽車，2020（23）：146-147．

[2]鄭東州．安全約束系統動力學及關鍵零部件研究[D]．廣州：華南理工大學，2023．

[3]彭洪梅，王東輝，鞠偉，等．正面碰撞前排乘員安全帶保護效果研究[C]．2021中國汽車工程學會年會暨展覽會，2021.

[4]金劍．汽車安全帶動態性能的試驗研究和數字仿真[D]．長春：吉林大學，2020．