新型預(yù)緊限力式卷收器的開發(fā)及應(yīng)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(fā)設(shè)計過程。首先明確設(shè)計目標(biāo)，通過仿真驗證設(shè)計思路的正確性，然后進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計，完成最終的產(chǎn)品試驗驗證。本文提出現(xiàn)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(xiàn)有產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，將鎖止端與預(yù)緊端放在同一側(cè)，從結(jié)構(gòu)上避免了問題的出現(xiàn)，通過多種多次的試驗驗證了新型卷收器的效果。根據(jù)上述描述可提供新型產(chǎn)品的設(shè)計思路及新型卷收器的設(shè)計方向，為實現(xiàn)更好的安全帶約束作用提供參考。

關(guān)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(yù)緊限力式卷收器。基于2018版C-NCAP針對后排得分權(quán)重的增加，后排安全帶配置也在提升。統(tǒng)計截止到2019年第四批數(shù)據(jù)，2018版C-NCAP的全部碰撞車型，前排預(yù)緊限力式安全帶占比96%，后排預(yù)緊限力式安全帶占比57%，此數(shù)據(jù)比例較2015版預(yù)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(tǒng)計，前排預(yù)緊限力式安全帶占比100%，后排高達(dá)81%。由此可見，在現(xiàn)有市場，預(yù)緊限力式安全帶已經(jīng)成為最普遍的安全帶配置，也是保證乘員安全的基礎(chǔ)配置。

雖然近年來主動安全、行人保護(hù)成為人們關(guān)注的重點，但是乘員保護(hù)部分在C-NCAP中比重依舊十分高，統(tǒng)計截止到2019年第四批數(shù)據(jù)，乘員保護(hù)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(dá)91.77%，由此可見乘員保護(hù)部分依舊是碰撞安全的基礎(chǔ)，碰撞安全與安全系統(tǒng)的表現(xiàn)息息相關(guān)，因此性能更穩(wěn)定及在碰撞中表現(xiàn)更優(yōu)異的安全帶則是主機(jī)廠及各位汽車用戶所期待的。

2 產(chǎn)品設(shè)計思路

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

產(chǎn)品設(shè)計目標(biāo)就是解決這些問題，新型預(yù)緊限力式卷收器將鎖止端與預(yù)緊端放在同一側(cè)，從結(jié)構(gòu)上避免以上問題的發(fā)生，大大降低預(yù)緊功能實現(xiàn)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(tǒng)仿真模型的建立

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

3.2 仿真和試驗力值數(shù)據(jù)對標(biāo)

采用的新型卷收器的工況，建立安全帶系統(tǒng)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(jìn)行對標(biāo)，經(jīng)計算cora值為0.85以上，仿真和試驗結(jié)果相似度較高，可以用于下面的研究對比。

通過調(diào)整模型中預(yù)緊限力參數(shù)，實現(xiàn)新卷收器（H7）和現(xiàn)有卷收器（H4）兩種狀態(tài)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(tài)，進(jìn)而觀測對假人的束縛能力。

以50Kph的某主機(jī)廠實車波形進(jìn)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(xiàn)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(jī)廠波形進(jìn)行驗證，得出結(jié)果與50Kph的結(jié)果一致。由此可以得出，新型卷收器改善現(xiàn)有卷收器的存在的overshoot、預(yù)緊轉(zhuǎn)限力階段跌落明顯，預(yù)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(jìn)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(jī)廠的不同車型，共7種波形。以其中兩個試驗結(jié)果為例，展示新卷收器及現(xiàn)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(jī)廠實車波形，實車座椅進(jìn)行臺架試驗驗證。新型卷收器通過調(diào)整參數(shù)，得到兩種狀態(tài)，試驗測量出口力、肩帶力進(jìn)行力值結(jié)果比較。

通過試驗結(jié)果可以看出，新型卷收器對于改善overshoot、預(yù)緊后跌落以及預(yù)緊后鎖止不及時等現(xiàn)象都有明顯改善，而通過調(diào)整新型卷收器的參數(shù)可以看出，狀態(tài)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(jī)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(jìn)行結(jié)果比較。

通過試驗結(jié)果可以看出，新型卷收器肩帶力overshoot明顯改善，預(yù)緊后跌落改善，鎖止時間提前，限力過程中更加平穩(wěn)。裝有現(xiàn)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(jié)果可以看出，新型卷收器達(dá)到設(shè)計的理想效果。

5 結(jié)論

本文針對一款新型的預(yù)緊限力式卷收器的開發(fā)過程進(jìn)行簡單的介紹。通過明確產(chǎn)品設(shè)計思路后，進(jìn)行仿真及相關(guān)試驗驗證。得出以下結(jié)論：

1）新型卷收器可適應(yīng)更多車型，大大降低了安全帶力值中存在的預(yù)緊后跌落、過沖、限力不平穩(wěn)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(jìn)行模塊化設(shè)計，可搭配不同的功能需求，以滿足主機(jī)廠未來對安全帶的發(fā)展要求。

綜上所述，本文通過使用模擬仿真計算得到產(chǎn)品設(shè)計方向為正確的，后進(jìn)一步通過實際數(shù)據(jù)驗證新型卷收器的效果。通過改變預(yù)緊端的位置，實現(xiàn)從結(jié)構(gòu)上避免預(yù)緊對限力作用的影響，為今后卷收器產(chǎn)品的設(shè)計思路提供更多的選擇，對安全帶生產(chǎn)廠家的設(shè)計有一定的指導(dǎo)意義。