新型預緊限力式卷收器的開發及應用

胡晏殊 劉昕耀 劉雪姣 劉佳男

摘 要：本文講述了新型卷收器的研發設計過程。首先明確設計目標，通過仿真驗證設計思路的正確性，然后進行產品設計，完成最終的產品試驗驗證。本文提出現有卷收器存在的問題，通過仿真驗證得出，更改目前存在的問題，可以增強對假人的約束，明顯改善假人的胸壓。通過更改現有產品的結構，將鎖止端與預緊端放在同一側，從結構上避免了問題的出現，通過多種多次的試驗驗證了新型卷收器的效果。根據上述描述可提供新型產品的設計思路及新型卷收器的設計方向，為實現更好的安全帶約束作用提供參考。

關鍵詞：新型卷收器 仿真驗證 假人約束

1 引言

安全帶卷收器常見的類型包括緊急鎖止式卷收器、限力式卷收器和預緊限力式卷收器。基于2018版C-NCAP針對后排得分權重的增加，后排安全帶配置也在提升。統計截止到2019年第四批數據，2018版C-NCAP的全部碰撞車型，前排預緊限力式安全帶占比96%，后排預緊限力式安全帶占比57%，此數據比例較2015版預緊限力式安全帶占比有很大的提升。而針對獲得5星的車型統計，前排預緊限力式安全帶占比100%，后排高達81%。由此可見，在現有市場，預緊限力式安全帶已經成為最普遍的安全帶配置，也是保證乘員安全的基礎配置。

雖然近年來主動安全、行人保護成為人們關注的重點，但是乘員保護部分在C-NCAP中比重依舊十分高，統計截止到2019年第四批數據，乘員保護部分的平均得分率為86.49%，而獲得5星的車型得分率則高達91.77%，由此可見乘員保護部分依舊是碰撞安全的基礎，碰撞安全與安全系統的表現息息相關，因此性能更穩定及在碰撞中表現更優異的安全帶則是主機廠及各位汽車用戶所期待的。

2 產品設計思路

現有安全帶存在的問題包括1）限力初期，overshoot過沖問題。2）預緊轉限力階段，跌落明顯。3）限力不穩定，浮動范圍較大。4）預緊后，僵持時間過長，鎖止延時。對于鎖止端和預緊端在不同側的卷收器，以上問題較為常見的情況。

產品設計目標就是解決這些問題，新型預緊限力式卷收器將鎖止端與預緊端放在同一側，從結構上避免以上問題的發生，大大降低預緊功能實現后對限力過程的影響。

3 安全帶仿真模型的建立及驗證

3.1 安全帶系統仿真模型的建立

本文基于LS-DYNA軟件進行安全帶系統仿真技術研究，利用有限元方法模擬座椅、安全帶、假人等零部件系統，進行滑臺試驗工況下安全帶系統仿真分析，如圖3所示。

3.2 仿真和試驗力值數據對標

采用的新型卷收器的工況，建立安全帶系統仿真模型，通過計算安全帶卷收器出口力B1、肩帶力B3、腰帶力值B6的曲線，同滑臺實驗時安全帶各部分的力值曲線進行對標，經計算cora值為0.85以上，仿真和試驗結果相似度較高，可以用于下面的研究對比。

通過調整模型中預緊限力參數，實現新卷收器（H7）和現有卷收器（H4）兩種狀態模型。提取模型中的胸部壓縮量、胸部位置前移量、骨盆位置前移量，用來對比假人的運動狀態，進而觀測對假人的束縛能力。

以50Kph的某主機廠實車波形進行仿真分析，得到曲線如下：

由曲線可以看出：

1）新型卷收器胸壓上升提前，對假人約束實現的更早。在前期胸部壓縮量改善2.5mm，后期胸部壓縮量改善7.5mm。

2）胸部位移量降低15mm，對假人胸部約束加強。

3）骨盆位移量降低15mm，對假人骨盆約束加強。

針對64Kph某主機廠波形進行驗證，得出結果與50Kph的結果一致。由此可以得出，新型卷收器改善現有卷收器的存在的overshoot、預緊轉限力階段跌落明顯，預緊后僵持時間過長等問題，可以明顯增強對假人的約束，對于胸部及骨盆的約束都有明顯的改善。

4 試驗驗證

對于新型卷收器進行了多次試驗驗證。試驗方式包括臺架試驗、白車身試驗、實車試驗等，試驗波形為不同主機廠的不同車型，共7種波形。以其中兩個試驗結果為例，展示新卷收器及現有卷收器的差異。

4.1 臺架試驗驗證

試驗采取TNO假人，某主機廠實車波形，實車座椅進行臺架試驗驗證。新型卷收器通過調整參數，得到兩種狀態，試驗測量出口力、肩帶力進行力值結果比較。

通過試驗結果可以看出，新型卷收器對于改善overshoot、預緊后跌落以及預緊后鎖止不及時等現象都有明顯改善，而通過調整新型卷收器的參數可以看出，狀態2效果更加明顯，改善更大。

4.2 實車試驗驗證

試驗采取HybridⅢ50%假人，某主機廠實車波形，64Kph的偏置實車碰撞試驗驗證。試驗測量肩帶力和胸部壓縮量進行結果比較。

通過試驗結果可以看出，新型卷收器肩帶力overshoot明顯改善，預緊后跌落改善，鎖止時間提前，限力過程中更加平穩。裝有現有卷收器的實車碰撞假人胸部壓縮量為28.5mm，裝有新型卷收器的實車碰撞假人胸部壓縮量為24.2mm，胸部壓縮量得到明顯的改善。通過此次實車碰撞結果可以看出，新型卷收器達到設計的理想效果。

5 結論

本文針對一款新型的預緊限力式卷收器的開發過程進行簡單的介紹。通過明確產品設計思路后，進行仿真及相關試驗驗證。得出以下結論：

1）新型卷收器可適應更多車型，大大降低了安全帶力值中存在的預緊后跌落、過沖、限力不平穩等問題。

2）通過仿真模擬及試驗驗證，可得出新型卷收器降低假人胸壓值，對假人的約束效果更好。

3）新型卷收器進行模塊化設計，可搭配不同的功能需求，以滿足主機廠未來對安全帶的發展要求。

綜上所述，本文通過使用模擬仿真計算得到產品設計方向為正確的，后進一步通過實際數據驗證新型卷收器的效果。通過改變預緊端的位置，實現從結構上避免預緊對限力作用的影響，為今后卷收器產品的設計思路提供更多的選擇，對安全帶生產廠家的設計有一定的指導意義。