安全帶腰帶限力功能的作用

劉雪姣 劉昕耀 韓嘯

沈陽金杯錦恒汽車安全系統有限公司 遼寧省沈陽市 110141

1 引言

對于安全帶常見的配置是卷收器位置增加預緊限力等功能，而對于腰帶位置，無論是插鎖還是固定點端片的位置常見的都是增加預緊功能，插鎖預緊和端片預緊都有助于提升假人腰部的約束作用，相反帶來的是頸部傷害的增加，而本文提出在腰帶位置增加限力，正是想要改善頸部傷害的問題。

2 產品設計思路

根據開發經驗發現，碰撞試驗后排經常出現假人頸部傷害值超標的問題，而對于這一問題，能夠改善解決的方案很少，而我們提出的腰帶限力就是一個不錯的方案，通常使用調整扭力桿大小的方法，但是過低的扭力桿會導致Fz增高，過高的扭力桿會導致頸部彎矩My的增加，對于頸部傷害的調節，有一定的局限性。腰帶位置增加限力，會讓假人臀部前移量增加，減小假人軀干的翻轉幅度，翻轉時間延后，可改善假人頸部的傷害。

而我們提出的在腰帶部分增加限力，是在40ms左右增加一個限力平臺，力值約為5KN左右，常見的腰帶力值如圖1（a），增加腰帶限力后的腰帶力如圖1（b）。

圖1 有無腰帶限力功能腰帶力值對比

在上述設計思路下，我們開展仿真模型的驗證，在模型上對比增加腰帶限力前后的力值、假人運動趨勢、胸壓，以驗證我們的設計思路。

3 仿真驗證

3.1 仿真模型的建立

使用LS-DYNA軟件進行安全帶系統仿真技術研究。參照GB14166-2013標準搭建模型，模型中使用HybridⅢ50%男性假人、剛性座椅。使用某知名主機廠的新款車型的坐標點和波形。利用有限元方法模擬安全帶、假人、座椅等零部件系統，仿真模型如圖2所示：

圖2 安全帶系統仿真示意圖

仿真模型在進行開發思路驗證前，需要進行對標分析，即實現仿真輸出數據與實際試驗數據進行對比，調整模型達到足夠的精度，保證模型的準確性。建立的仿真模型運算后，輸出安全帶的常用力值和假人常用參數，包括卷收器出口力值、肩帶力、插鎖力、腰帶力、胸壓、頭部加速度、胸部加速度、骨盆加速度等。將以上仿真數據與實際試驗數據進行CORA分析，通過調整模型參數，實現仿真與實際試驗數據相似度達到90%以上，相似度較高，可以用于以后的仿真思路驗證。

3.2 安全帶仿真力值

通過調整模型中的相關參數，實現固定點端片限力的功能。插鎖上方力值和固定點腰帶力值表現如圖3所示，原有狀態代號為base（藍色），增加腰帶限力后狀態代號為LL（紅色）：

圖3 仿真插鎖力和腰帶力對比

由曲線可以看出，增加腰帶限力功能后，插鎖力值上升，腰帶力值下降。腰帶力表現與設計目標相同。

3.3 假人仿真結果

仿真使用HybridⅢ50%男性假人，采集假人胸部壓縮量，同時輸出假人頸部傷害值Fx、Fz、My，通過動畫得到假人臀部前移量，獲得增加腰帶限力后假人運動狀態以及傷害值的對比。

3.3.1 假人胸部壓縮量

胸部壓縮量對比曲線如下圖4：

圖4 仿真假人胸壓對比

由曲線可以看出，以75ms為分界，通過動畫可以看到，75ms以后假人胸部碰撞大腿，產生的撞擊導致胸壓明顯的大幅度上升。無論是碰撞前后胸壓都有少許的降低，但變化幅度并不大，對比曲線可以看出增加腰帶限力后，碰撞時間明顯延后，這與我們設想的一致。

3.3.2 假人臀部位移量

通過仿真動畫，查看假人和座椅固定點之間相對距離，測量假人的前移量得到曲線如圖5：

圖5 仿真假人臀部前移量對比

由曲線可以看出，增加腰帶限力功能后，假人臀部前移量更大，峰值延后5ms，說明假人臀部運動趨勢更大，這與我們設想的一致。

3.3.3 假人頸部傷害值

頸部傷害值Fx和Fz對比曲線如圖6：

圖6 仿真假人頸部力值

由曲線可以看出，頸部傷害值剪切力Fx和張力Fz均有所降低，增加腰帶限力的確對頸部的力值有所改善。

頸部傷害值伸張彎矩My對比曲線如圖7：

圖7 仿真假人頸部伸張彎矩

由曲線可以看出，115ms開始頸部由于身體碰撞大腿導致明顯的彎矩升高，但無論碰撞前后，頸部傷害值伸張彎矩My均有所降低，增加腰帶限力的確對頸部的彎矩有明顯的改善。

通過本節內容可以得出，產品設計思路是正確的，增加腰帶限力對于改善假人的頸部傷害有較明顯的作用，而對于安全帶最關心的傷害值胸部壓縮量，并無影響，通過仿真驗證，此產品可以達到降低頸部傷害的作用。

4 結論

本文通過仿真驗證了腰帶限力對假人頸部傷害值的改善，頸部傷害值剪切力Fx、張力Fz、伸張彎矩My增加腰帶限力后均有所降低。假人臀部前移量增加，對假人頸部是有改善效果的。

后續會開發此產品，進行實際試驗驗證其效果的準確性。對于假人頸部傷害情況的研究還需更多更新的思路進行驗證與分析，考慮實際實現與仿真的結合，實現改善假人頸部傷害的作用，為今后安全帶研發設計提供更多思路，為今后汽車廠家提供更多的配置選擇。本文的產品設計及驗證擴展了今后的安全帶開發思路，為汽車企業進行性能匹配提供一些新的方法，對汽車企業進行安全帶選型有一定的指導意義。