基于剪切增稠流體的安全帶制動裝置創新設計

朱坤鵬

摘要：為提高安全帶的舒適性，避免緊急制動時造成二次傷害和磨損，本文設計一種安全帶制動裝置。基于剪切增稠流體效應使安全帶起到制動效果，利用轉子圓周面和端面剪切增稠流體提供的阻力進行高效制動，同時縮小體積。依據國標中緊急制動時安全帶的速度和拉力，根據運動學、動力學分析，結合對剪切增稠流體粘度-剪切速率曲線的分段化處理，計算出滿足要求的轉子直徑、厚度、轉子端面和側面與殼體的間隙、四個齒輪齒數等關鍵設計參數。

Abstract： In order to improve the comfort of safety belt and avoid secondary injury and wear during emergency braking， a safety belt braking device is designed in this paper. Based on the shear thickening fluid effect， the safety belt has the braking effect， and the resistance provided by the shear thickening fluid on the circumferential surface and the end surface of the rotor is used for efficient braking， and the volume is reduced at the same time. According to national standard in the seat belt when emergency braking of speed and tension， according to the kinematic and dynamic analysis， the combination of shear thickening fluid viscosity and shear rate curve segment， calculate meet the requirements of the rotor diameter， thickness， the clearance between housing and rotor end and side， four key design parameters such as the gear teeth.

關鍵詞：剪切增稠流體;安全帶;制動裝置;分段線性化

Key words： shear thickened fluid;seat belts;brake rigging;piecewise linearization

中圖分類號：TU976.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）24-0209-03

0? 引言

在生活節奏逐步加快的今天，汽車已經成為人們出行時必不可少的工具，減少了交通通勤所用的時間，但同時會造成安全事故。當車禍來臨時，如果不系上安全帶，在慣性的作用下，人體就會飛離座位，造成人員的擦傷、撞傷，存在嚴重安全隱患[1]。安全帶的普及能有效的防止人體離開座位，但是不正確使用依舊會給人體帶來二次傷害[2]，而且由于系安全帶后擠壓身體產生不適，許多人不愿意系上安全帶。安全帶的束縛作用主要由安全帶制動裝置提供，因此進一步改進安全帶制動裝置設計有重要的意義。

目前人們使用的安全帶主要是緊急鎖止式汽車安全帶[3]。這類安全帶有著經濟實用、體積小、反應迅速等優點[4]，技術較為成熟，獲得廣泛應用。但是此類安全帶舒適性卻比較低[5]，而且制動裝置主要利用棘輪棘爪制動，仍存在磨損等問題，可能造成安全帶失靈等安全事故[6]。

針對現有安全帶的不足，本文嘗試設計基于剪切增稠流體[7、8]的安全帶制動裝置實現制動，以保障人們舒適安全地使用安全帶。剪切增稠流體的特性為進一步提高現有安全帶舒適性，解決緊急制動時造成二次傷害和磨損等問題提出了可能。本文將對基于剪切增稠流體的安全帶制動裝置的進行研究和設計。

1? 裝置組成和原理

參考圖1，所設計的安全帶制動裝置主要由三大部分組成，分別是傳動部分、變速部分以及制動部分。其中，傳動部分主要由安全帶、槽輪、槽輪軸組成;變速部分主要由轉子軸以及四個齒輪組成的齒輪系組成;制動部分主要由轉子與剪切增稠流體組成。該裝置的原理為：在車禍發生時，駕駛員會由于慣性迅速向前移動并拉出安全帶。傳動裝置將安全帶的拉出速度通過摩擦力作用在槽輪上，使槽輪獲得與安全帶一致的線速度進而旋轉起來。這一旋轉運動通過軸傳遞至變速部分的z1齒輪，通過z1/z2和z3/z4兩處齒輪的配合作用，實現變速功能。z4是變速部分的輸出齒輪，通過軸與轉子固連，帶動轉子轉動。而轉子轉動時使轉子與殼體間的剪切增稠流體發生剪切運動，從而使剪切增稠流體發揮作用，反過來對轉子起到制動效果，最終對安全帶起到制動作用，達到使人體減速的目的。所設計裝置的一個顯著特點是，充分利用轉子圓周面和2個端面剪切增稠流體提供的阻力進行制動，有助于在提高制動效果的同時縮小體積。

2? 緊急制動時安全帶的速度和拉力

根據國家標準[9]，要求安全帶在被拉出加速度為2.94 m/s2時，制動裝置（卷收器）在拉出長度不大于50 mm的位置上鎖止。假設制動距離為50mm，即0.05m，此時傳統安全帶制動裝置棘輪發生作用，將運動突然停止。這里，不考慮安全帶的彈性，且認為棘輪發生作用前安全帶是勻加速運動。

這樣，傳統安全帶在拉出t秒時達到制動距離可根據勻加速運動公式計算：

棘輪制動時安全帶的拉出速度（m/s）：

假設駕駛員質量100kg，其中上身質量為50kg，又假設棘輪制動時間為0.08s，根據動量定理計算安全帶對駕駛員的作用力合力（N）：

這樣，假設兩側安全帶對人體作用力大小相等，且與合力方向相同。則兩側安全帶對人體作用力均為：

根據牛頓第三定律，安全帶被拉出的力大小也為165.6 N，為了方便同樣記為F。

3? 詳細計算和設計

取槽輪直徑d0約0.1m，又根據緊急制動時安全帶的拉出速度0.53m/s，可計算出槽輪旋轉角速度ω1：

參考圖1進行安全帶制動裝置主要參數的計算和設計。初取轉子直徑d為0.15m、殼體內徑D為0.154m，則轉子與殼體之間的間隙h為0.002m。

參考圖2，根據文獻[10]，對于體積分數為54%的剪切增稠液體，在剪切速率區間 [200s-1，250s-1]，粘度隨著剪切速率的提高從25Pa·s近似線性提高到95Pa·s。

參考圖1進行緩降機構的設計和計算，初取轉子直徑d為0.15m、殼體內徑D為0.154m，則轉子側面與殼體之間的間隙h為0.002m。根據文獻[10]，二氧化硅質量分數為54%的剪切增稠流體，剪切速率區間 [200s-1，250s-1]是近似線性的剪切增稠段。取制動部分在緊急制動時轉子的剪切速率為剪切增稠段的中點，對應剪切速率和粘度分別為225s-1和50Pa·s，該剪切速率對應轉子（與齒數為z4的齒輪固連）的轉速：

參考圖3進行傳動部分的設計和計算，總的傳動比應滿足：

取齒數z1、z2分別為20和53，齒數z3、z4分別為12和8，該方案傳動比：

滿足要求的傳動比。

再在對圖1中的轉子進行受力分析，安全帶對槽輪拉力在轉子上存在等效力矩，這一等效力矩與轉子側面和左右端面受到的阻力矩之和平衡。首先計算安全帶對槽輪拉力在轉子上的等效力矩（Nm）：

然后，分別計算轉子側面和左右端面受到的阻力矩。轉子側面受到的阻力矩：

接著，計算轉子左右端面受到的阻力矩，二者是一樣大的。

參考圖4，根據文獻[10]中體積分數為54%材料的粘度-剪切速率曲線特點，將該曲線分成AB和BC兩段并線性化。讀圖可知，A、B、C三點的坐標分別為（1，5）、（180，5）、（230，60），進一步可算出分段線性化后的粘度-剪切速率函數表達式為：

先初取端面間隙h為0.002m，在圓周面上對應的剪切速率是整個端面對應間隙中流體的最大剪切速率max：

忽略小于1s-1的區間，整個端面對應間隙的剪切速率的區間是[1s-1，225s-1]。

以下根據式（11）的分段函數計算轉子端面上作用的剪切應力。對于剪切速率區間[1s-1，180s-1]對應的轉速區間為[0.002m/s，0.36m/s]，對應的半徑區間為[0.0003m， 0.06m]。根據此圓環區域的剪切速率均值90.5s-1和對應的粘度值5Pa.s，估算此圓環區域受到的剪切應力（Pa）為？子1（Pa）：（13）

剪切速率區間[180s-1，225s-1]對應的轉速區間為[0.36m/s，0.45m/s]，對應的半徑區間為[0.06m，0.075m]，利用該圓環區域的剪切速率均值202.5s-1及該處的粘度29.75Pa.s，則剪切應力？子2（Pa）為：

轉子整個端面上的阻力矩T（Nm）等于兩個圓環區域作用阻力矩的和：

根據安全帶對槽輪拉力在轉子上的等效力矩M與轉子兩個端面和側面作用的阻力矩之和平衡，因此：

計算出轉子厚度L約為0.07m，即7cm。

綜上所述，所設計的安全帶制動裝置的制動部分中，轉子直徑0.15m，厚度0.07m，轉子端面和側面與殼體的間隙均為0.002m。傳動部分中，四個齒輪中齒數z1、z2分別為20和53，齒數z3、z4分別為12和8，傳動比為53/30。上述設計參數可滿足設計目標。

4? 結論

提出了一種基于剪切增稠流體的安全帶制動裝置創新設計，主要結論如下：

①提出了基于剪切增稠流體的安全帶制動裝置創新設計，包括傳動部分、變速部分以及制動部分，傳動部分主要由安全帶、槽輪、槽輪軸組成;變速部分主要由轉子軸以及四個齒輪組成的齒輪系組成;制動部分主要由轉子與剪切增稠流體組成。

②根據安全帶在被拉出加速度為2.94m/s2、制動裝置（卷收器）在拉出長度不大于50mm的位置上鎖止的條件，計算出安全帶被拉出的力大小為165.6N。

③根據運動學、動力學分析，結合對剪切增稠流體粘度-剪切速率曲線的分段化處理，計算出轉子直徑0.15m，厚度0.07m，轉子端面和側面與殼體的間隙均為0.002m，四個齒輪中齒數z1、z2分別為20和53，齒數z3、z4分別為12和8，傳動比為53/30。

本文的研究有助于解決緊急制動時安全帶對人體造成二次傷害和安全帶自身磨損等問題，但是本研究在設計方案的具體實現方式、裝置體積等方面仍有不足，以后將開展進一步研究。

參考文獻：

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