磁流变限力安全带的设计原理

赵晓昱　王晓聪　王岩松　汪佳农

上海工程技术大学,上海,201620

磁流变限力安全带的设计原理

赵晓昱王晓聪王岩松汪佳农

上海工程技术大学,上海,201620

摘要：为了避免车用安全带在紧急锁止时对人体造成伤害，研究了一种可主动控制安全带约束力的磁流变限力器。介绍了限力器的控制原理和结构；运用磁饱和分析法探索了限力器阻尼力与外控电流的对应关系；根据人体胸部的安全承载能力，确立了限力器的限力极值,通过一算例验证了其可行性。该磁流变限力器与复合敏感式安全带锁止器配合,可实现智能控制且可以反复使用。

关键词：安全带；磁流变限力器；胸部约束；磁饱和分析；阻尼力方程

0引言

汽车安全带是汽车乘员约束系统中最重要的保护装置。目前汽车上普遍装备的是三点式安全带，此种安全带能为乘员提供比较好的保护。由于安全带织带是一条比较窄(约46mm)的尼龙编织带，主要作用部位为胸部和腹部，为了减少其自身的延伸量，织带刚度被设计得比较大,因此在较大的碰撞加速度下会对乘员造成一定程度的勒伤，有时甚至会威胁到乘员的生命[1]。为了克服这些缺点,人们发明了限力式安全带,以防止过大的约束力对人体造成伤害。目前应用最多、技术最成熟的是限力杆式限力器安全带。当安全带上的拉力过大时，金属限力杆发生形变，释放一定长度的安全带，以此来达到限力的目的[2]。但是此种安全带限力器只能一次性使用，使用之后需要更换整个安全带总成，维修成本较高。并且限力杆的限力值是固定的，不能调节。针对这些问题,笔者利用磁流变液在磁场的作用下具有响应迅速、磁流变效应可逆的特性[3],设计了一种新型安全带磁流变限力器,使之与现有的复合敏感式安全带锁止器配合使用，可实现安全带约束力连续可控,并且该安全带具有反复使用的性能。

1磁流变限力器的结构原理

图1　磁流变限力器结构简图

安全带磁流变限力器结构如图1所示，主要由活塞、活塞杆、电磁线圈、线圈保护套、隔磁环、制动环、回位弹簧、活塞杆导向座、缸体、附加腔体等结构组成。磁流变限力器的活塞安装在活塞杆下端，并且活塞上开有凹槽，电磁线圈缠绕在凹槽中。整个活塞外部套有一层金属保护套，用来保护线圈，金属保护套上镶嵌有一圈不锈钢隔磁环，用来隔断磁路。装配好后的活塞总成安装在限力器缸体内，活塞杆导向座为活塞杆提供径向支撑。活塞杆上部一端装有回位弹簧，用来使拉出的活塞迅速回位。在缸体与活塞之间充满磁流变液，油封用来密封限力器内部的磁流变液。限力器缸体尾端有一附加腔体用于保护活塞杆。

2磁流变限力器的控制原理

锁止器和限力器的连接方式如图2所示。磁流变限力器上部安装孔与安全带锁止器总成通过螺栓固定在一起，锁止器可以在连接板内滑槽中滑动,连接板固定在车身上；限力器缸体通过固定套连接在车身上。

图2　限力器与锁止器的连接方式

2.1正常行驶状态

车辆正常行驶时，由于控制电路并未启动，所以安装在活塞杆上的电磁制动环在径向制动弹簧的作用下会使活塞杆与缸体之间制动，活塞杆并不移动，复合敏感式安全带锁止器也不锁止，可根据佩戴者的需要调整织带的长度正常使用。

2.2紧急锁止状态

汽车行驶状态突然发生改变，人体在惯性力作用下有可能发生二次碰撞，当达到国家标准所要求的锁止指标时，需要对人体约束锁止，因此复合敏感锁止器首先锁止安全带，对人体进行约束[4]。这时通过安装在织带锁扣内的织带测力传感器测得织带对人体的约束力，如果约束力超过人体安全承力上限,电子控制单元(ECU)发出控制指令，启动控制电路，使电磁制动环回缩吸附在活塞杆上，同时通过控制磁流变限力器中线圈的电流来控制磁流变阻尼力，使阻尼力变小，使安全带对人体的约束力维持在人体可承受范围内,阻尼力的变化会使活塞杆与缸体有相对移动。限力器的控制原理见图3。

图3　限力器控制原理

2.3断电保护

为了防止由于撞车等突发情况造成电路断路,在限力器中设置了电磁制动环，断电时，活塞失去对制动环的吸附作用，制动环在制动弹簧的作用下，使活塞杆与缸体之间停止相对运动，仅由复合敏感式锁止器单独工作。这样仍保证了安全带对人体的约束。

3磁路设计和磁饱和分析

限力器活塞处的简化磁路结构如图4所示。磁路为串联磁路，所以在磁路中磁通量处处相等。运用磁饱和分析法，以磁流变通道处的磁感应强度达到磁饱和工作值(约为0.7B)和磁轭达到磁饱和工作值(约为1.4B)为限力器磁路工作条件。

图4　限力器磁路设计

由图4可以看出,线圈保护套的安装位置接近于磁流变通道，并且磁导率远大于磁流变液磁导率。建立磁路磁通关系，设Φ为磁轭的磁通，ΦMRF为磁流变通道磁通,则磁通表达式为

Φ=∫SBdS=BS

(1)

式中,B为通过面积S的磁感应强度。

由于是串联磁路,通过计算可得到各处的磁通量,图4中各磁通量的关系如下：

Φ1=Φ2=Φ3=ΦMRF

(2)

活塞半径R可由以下刚强度校核公式得到：

(3)

式中,F为活塞杆拉力；σ为抗拉强度,其值依活塞杆材料而定。

由于磁力线基本在磁轭中,磁轭为铁磁体，磁导率远远大于非铁磁体磁导率,基本无磁漏。根据磁路欧姆定律,磁流变阻尼器磁路计算公式为

NI=Φ(Rm+RMRF)

(4)

式中,N为励磁线圈匝数;I为线圈额定电流;Rm为磁轭总磁阻;RMFR为磁流变通道磁阻。

两种磁阻分别由以下公式求得：

(5)

(6)

式中，l′为磁轭磁路的平均长度；h′为磁流变液通道厚度；μ为磁轭磁导率;μ0为磁流变液磁导率；S0为磁流变通道平均截面积。

通过将结构参数代入式(5)、式(6)可以得到总的磁阻；通过计算式(4)可以确定线圈匝数。

4确定限力器的阻尼力与限力极值

4.1磁流变限力器的阻尼力

设计的磁流变限力器的阻尼力是基于Bingham流体的平行平板流动模型来进行计算的[5-6]。Philips[7]和Makris等[8]的推导表明，当活塞向外运动时，单杆双出间隙式结构活塞所承受的阻尼力可按下式计算：

(7)

式中,Ap为活塞的有效面积;v为活塞相对于缸体的运动速度;τy(H)为磁流变液剪切屈服强度;η为磁流变液的零场黏度；h为活塞与缸体的间隙；L为活塞有效长度。

由式(7)可知,磁流变液的剪切屈服应力τy(H)的大小和活塞相对运动速度v直接影响限力器阻尼力的大小。活塞运动速度与织带速度一致,数值很小，所以只能通过调节磁流变液剪切屈服应力τy(H)的大小来控制阻尼力F的输出。由磁流变液的基本磁化曲线可知,磁流变液的剪切屈服应力τy(H)是磁场强度H的函数[9],而H=B/μ0,所以磁流变液的剪切屈服应力又是磁感应强度B的函数。

由式(4)可得磁感应强度与线圈电流的关系:

(8)

由式(8)可知,只要控制电流I的大小,就可得到不同的磁感应强度值,进而得到一个可控大小的阻尼力F。

4.2磁流变限力器限力极值的确定

根据Foret-Bruno等[10]对89起均配置了预定程序约束系统PRS(programmedrestraintsystem)车辆的交通事故案例和在此基础上将限力器等效替换后扩充为256例事故案例的分析研究得出以下结论:

(1)不区分性别差异，对于所有年龄阶段，肩带力6.9kN导致胸部损伤等级为AIS评价3级以上的风险为50%。

(2)随着车体结构刚度越来越大，肩带力的大小需要适当地进行控制，否则会伤害人体。安全带力限制为4kN和相匹配的安全气囊使95%的乘员受到保护成为可能。

据此磁流变限力器的正常工作限力值为4kN，峰值时的限力值为6kN。

5限力器设计实例

为了验证磁流变限力器提供的阻尼力是否能达到要求，需进行校验。为了防止磁路被短路和浪费，这里选择304(0Cr19Ni9)不锈钢为限力器活塞杆和隔磁环材料，选择20钢为磁轭材料[11]。磁流变液的型号选择重庆仪表研究所研制的MRF-J01型[12]。MRF-J01磁流变液的剪切屈服应力随磁感应强度变化曲线如图5所示。由图5可知,随着磁感应强度的变化，剪切屈服应力不断增大,最大值约为70kPa,性能优良,稳定性很好。选择的结构材料性能参数如表1所示。经过计算,磁流变限力器的结构参数如表2所示,磁通Φ=16.9×10-4Wb。

图5　MRF-J01磁流变液的剪切屈服应力-磁感应强度曲线

项目参数磁流变液工作的磁感应强度B(T)0.7磁流变液工作点磁导率μ0(H/m)3.7×10-5磁流变液零场黏度η(Pa·s)1.0磁流变液最大剪切屈服应力τy(kPa)70304不锈钢抗拉强度σ(MPa)52020钢工作的磁感应强度B(T)1.420钢工作点磁导率μ(H/m)6.5×10-4

表2　限力器结构尺寸数值

由式(5)、式(6)可求得总磁阻Rm=75547.3H-1,最大电流取1.5A,求得NI=ΦRm=127.86Wb/H,则有线圈匝数N=85。由于限力器的参数已经确定,代入式(7)可得阻尼力的表达式：

可以看出阻尼力分配比较好,可调节范围比较大。

所以由式(8)可知,只要控制电流的大小，就可得到不同的磁感应强度值，进而得到一个可控大小的阻尼力F。根据表1所提供的数据以及磁流变液、20钢的磁特性参数，得到电流I和剪切屈服应力τy(H)关系如图6所示。

图6　电流与剪切屈服应力的关系曲线

图6中拟合曲线的表达式为

τy(H)=(-31 350 I4+104 900 I3-49 640 I2+

7419 I-108.8)/(I2-0.67 I+0.13)

将此表达式代入到限力器阻尼力表达式中,可得到阻尼力F关于电流I和相对速度v的表达式：

F=262.2 v+(-1630.2 I4+5454.8 I3-2581.28 I2+

38 538 I-5.66)/(I2-0.67 I+0.13)

代入不同的电流与速度值,可得到限力器阻尼力如图7所示。根据文献[13]所做的正面100%重叠碰撞(50km/h)实验,人体相对车体的最大相对速度约为9m/s,则人体拉动磁流变限力器而产生的限力器的最大阻尼为F=6017.19N,如图7所示。

图7　磁流变阻尼力与电流、速度关系曲线

由图7可知,织带拉出的速度对阻尼力的影响并不明显，而电流的影响则很明显，为了简化结构，可以在由电流控制的剪切阻力基础上叠加上织带拉出速度取平均值时产生的黏滞阻力。通过控制电流的大小，即可得到不同的阻尼力，来满足不同工况下人体约束力的限力需求。

6结语

根据车辆行驶的路面和最高车速，针对不同车型的室内空间大小，安全气囊与安全带配合使用时可利用的安全距离，选取合理的磁流变限力器结构参数和磁流变液材料,可以得到所需的人体约束力。优化结构参数，不仅节约了制作材料，提高了资源利用效率，也使得机构更加紧凑，性能更好。为了提高限力器的精确约束力，可以通过织带的速度传感器测得织带的速度，与控制电流进行匹配，通过电子控制单元进行阻尼力的控制。

利用磁流变液这一智能材料，可以实现安全带约束力根据人体承受压力的安全极限进行实时、连续、可逆的控制，既防止了二次碰撞，又可以实现对乘员的更加周到、智能的保护。

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(编辑王艳丽)

DesignPrincipleofMagnetorheologicalForceLimitedSeatbelt

ZhaoXiaoyuWangXiaocongWangYansongWangJianong

ShanghaiUniversityofEngineeringScience,Shanghai,201620

Abstract:An active limiter for seatbelt constrain force with MRF was proposed.This MRF force limiter was designed in order to avoid having a harmful effect on human body when seatbelt emergency locking.The control principles and structure for MRF force limiter were proposed.To research corresponding relationship between the limited damping force and external control current the magnetic saturation analysis method was adopted.Limiting value of limiter was set up according to chest load-carrying capability,and its feasibility was verified by a numerical example. The MRF force limiter can be used with emergency locking retractor. It can realize intelligent control and reuse.

Key words:seatbelt;magnetorheological fluid(MRF) limiter;chest constrain; magnetic saturation analysis; damping force equation

收稿日期：2015-02-04

基金项目:国家自然科学基金资助项目(51175320);上海高校特聘教授(东方学者)项目

中图分类号：U461.91;TH132.22

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.04.014

作者简介：赵晓昱,女,1967年生。上海工程技术大学汽车工程学院副教授,长春理工大学机械电子工程学院博士研究生。主要研究方向为汽车设计、汽车车身设计与制造。发表论文20余篇。王晓聪,男,1987年生。上海工程技术大学汽车工程学院硕士研究生。王岩松，男,1971年生。上海工程技术大学汽车工程学院教授。汪佳农,男,1992年生。上海工程技术大学汽车工程学院硕士研究生。