基于ADAMS的汽车安全带卷收器车身敏感锁止性能研究

杜 力，鲍马飞，2，洪俊坤，2，杜彦斌

（1.重庆工商大学制造装备机构设计与控制重庆市重点实验室，重庆 400067；2.重庆理工大学机械工程学院，重庆 400054）

汽车安全带是汽车安全约束系统最重要的组成部分。近年来，随着汽车保有量的增多，汽车安全事故频频发生，其中汽车安全带对保护汽车成员的安全有着不可替代的作用［1-5］。目前，我国已经出台了强制标准GB14166—2013《机动车成员用安全带、约束系统、儿童约束系统和ISOFIX儿童约束系统》。本文介绍了紧急锁止式卷收器结构组成以及工作原理，并对锁止结构进行了理论分析，研究了车感座凹槽倾角与锁止时间的关系以及凹槽倾角与最小锁止加速度之间的关系。

1 安全带卷收器锁止机构的组成及工作原理

1.1 紧急锁止式卷收器结构组成

卷收器是一种用于全部或部分卷收安全带织带的装置，根据其功能可分为无锁式卷收器（1型）、手调式卷收器（2型）、自锁式卷收器（3型）、紧急锁止式卷收器（4型）以及高响应紧急锁止式卷收器（4N型）。图1为紧急锁止式卷收器结构，图2为紧急锁止式卷收器爆炸图［6］。

图1 紧急锁止式卷收器结构

如图1所示，紧急锁止式卷收器大体可分为锁止端、盘簧端、旋转芯轴以及支架。其中，锁止端在紧急情况下起锁止作用，盘簧端负责安全带织带的卷收，旋转芯轴缠绕织带，支架起固定支撑作用［7］。

紧急锁止式卷收器各结构组成如图2爆炸图所示。

图2 紧急锁止式卷收器爆炸图

1.2 紧急锁止式卷收器盘簧端

卷收器织带的拉出与回卷是通过盘簧端的盘簧回卷力来实现的。图3是切掉盘簧盖上端部分后的示意图，其中盘簧的一端与盘簧盖在b处通过异形结构卡死，盘簧另一端在d处与盘簧压盖上的异形结构卡死。当织带拉出时，盘簧顺时针转动，产生预紧力。当拉出织带的拉力释放时，在盘簧预紧力的作用下，芯轴逆时针旋转，织带被回卷。

1.3 紧急锁止式卷收器锁止端

紧急锁止式卷收器有2种锁止方式：车身敏感锁止和织带敏感锁止。其结构见图4。

织带敏感锁止是指当缠绕在芯轴上的织带拉出加速度达到一定值时，带感摆轮由于惯性力作用而滞后，将复位簧压缩。带感摆轮p处因滞后而与外齿圆盘o处接触，然后带感摆轮继续随外齿圆盘运动，当p处与锁止端盖q处的凸齿接触而卡死，使得圆盘外齿卡死。棘爪继续随芯轴运动，但只能随棘爪轨道运动而伸出从而棘爪与支架棘齿卡死，使得芯轴也随之卡死，从而织带无法继续拉出［8-10］。

图3 卷收器拉出回卷示意图

车身敏感锁止是指当车身倾斜一定角度时，敏感球由重力作用而滚动从而将车感臂抬起，车感臂与外齿圆盘上的棘齿卡死，使得外齿圆盘卡死，棘爪伸出与支架棘齿卡死，织带无法继续拉出；当车身减速度达到一定值时，敏感球由于惯性力的作用而将车感臂抬起，从而卡死外齿圆盘使得棘爪卡死支架棘齿而织带无法被拉出。

图4 紧急锁止式卷收器结构示意图

2 车感锁止机构运动分析

2.1 车感臂运动分析

在车辆发生碰撞或者遇到紧急情况减速时，敏感球会在减速度的作用下发生向右的滚动，从而推动车感臂向上运动，使车感臂接触外齿圆盘将外齿圆盘卡死，从而达到锁止织带的结果。

对图5中车感臂进行受力分析。车感臂分别受到自身的重力G、惯性力Fa、敏感球对车感臂的作用力FN、摩擦力f、车感座对车感臂的作用力Fx-y作用。通过对o点求矩可得：

式中：l1为车感臂质心与o点连线长度；l2为车感臂与敏感球切点与o点连线长度；θ为敏感球与车感臂切面和l2的夹角；α为l1与水平方向的夹角；m为车感臂的质量。

由式（1）求解得到：

图5 车感臂受力分析

2.2 敏感球运动分析

敏感球在受到减速作用后，会向右运动从而推动车感臂运动。

对图6中敏感球进行受力分析。敏感球分别受到自身重力G、车感座的作用力F′N1、摩擦力f1、车感臂的作用力F′N、减速力F作用，故敏感球的受力表示为：

式中：δ为车感座与敏感球切点法线与竖直方向的夹角；φ为车感臂对敏感球压力与x轴方向的夹角；m1为敏感球的质量。

图6 敏感球运动过程受力分析图

2.3 车感锁止时间分析

随着敏感球和车感臂的运动，α、θ角会不断地变化，从而FN也会随着α、θ角的变化而变化。实际上由于车感臂的质量较小对锁止时间以及最小锁止加速度的影响较小。为了降低计算量对FN可取初始位置的值［11］。

对敏感球的微分方程为：

求解式（7），敏感球的速度沿x、y的投影分别为：

求解式（9），得敏感球直角坐标形式的运动方程为：

通过式（10）可求得敏感球在x方向移动距离与时间关系为：

式（11）中的x是一个变量，随着车感座凹槽倾角的变化也会不断地变化，通过图7的几何关系可求出凹槽不同倾角下的x值。

图7 敏感球锁止位置关系

当敏感球到达锁止位置时根据几何关系可求出lPH长度为：

敏感球从初始位置到锁止位置，在x方向移动的距离为：

将式（14）代入式（11）可求得敏感球锁止时间。

3 ADAMS仿真分析

3.1 理论锁止时间与仿真锁止时间比较

在Adams中建立三维模型，将车感座凹槽倾角设为变量DV_ANGLE，其取值范围Min.Value为12，Max.Value为24。取加速度值为0.45g，敏感球对应的惯性力为0.037 485 N。通过仿真分析，可得车感座凹槽倾角与锁止时间的关系［9］。

将表1中的数据代入式（11），可得到理论计算上车感座凹槽倾角与锁止时间的关系。

表1 车感锁止机构参数

在加速度为0.45g、车感座凹槽倾角从12°～20°的情况下，通过分析和计算发现，仿真分析和理论计算的锁止时间非常接近。

将两种数据绘制在图8中，可见仿真分析得到的锁止时间虽略微偏大，但两条曲线几乎处于重合状态。可认为，仿真结果可靠［10］。

图8 理论锁止时间与仿真锁止时间对比图

3.2 凹槽倾角与锁止加速度的关系

通过Design Exploration分析设计变量对目标的影响程度，得出不同的凹槽倾角所对应的最小锁止加速度，从而得出凹槽倾角与锁止加速度之间的关系［11］。

以车感臂与竖直方向的最大夹角为测量目标，Design Variable取惯性力DV_Force，其范围为0.023～0.044 N。

在外齿圆盘处添加一个传感器，当圆盘外齿受力大于零时，即发生碰撞，分析终止。Default levels取20，对凹槽倾角为12°的情况进行分析，结果见图9。

图9 DV_Force影响程度分析1

车感臂与竖直方向的夹角为123°时，夹角达到最大值，外齿圆盘锁止。可见图9第1条曲线未锁止，第2条曲线开始锁止。取第1条曲线与第3条曲线之间的力，力的范围为0.023～0.044 N，再利用Design Exploration分析，结果见图10。

图10 DV_Force影响程度分析2

从图10可以看出：第4条曲线未锁止，第5条曲线开始锁止。在information对话框中，可以设第5条曲线所对应的惯性力大小为0.234 21 N，从而可以算出其锁止加速度为0.281 16（m／s2）。

同理，可以求出13°～24°的最小锁止加速度、凹槽倾角与最小锁止加速度之间的关系，见表2。

表2给出了从12°～24°车感座凹槽倾角与最小锁止加速度之间的对应数据。可以看出：车感座凹槽倾角与锁止加速度之间的关系，随着车感座凹槽倾角的增大，车感锁止所需要的最小加速度也逐渐增大［12］。

但表中的数据无法给出连续的对应关系，也不够直观。为了技术人员快速验证设计方案，利用Matlab对表2中的数据进行二次多项式拟合，得到相应的关系式并绘制成曲线图［13］。

表2 车感座凹槽倾角与锁止加速度关系

由图11可知：方差SSE数量级为10-5，相关系数R-square＝1，说明拟合结果较好。因此，车感锁止加速度a可表示为：

如图12所示。

图11 车感锁止数据拟合结果

综上所述，车感座凹槽倾角对车感锁止加速度a影响较大。根据GB14166—2013中的规定，锁止加速度为0.45g，倾斜敏感角为12°～27°必须锁止。结合本例情况，车感座凹槽倾角设计在12°～20°之间最好［14］。

图12 车感座凹槽倾角与锁止加速度关系图

4 结束语

汽车安全带是汽车安全约束系统不可或缺的部分，对汽车安全有着不可替代的作用，而卷收器是安全带的核心结构。本文介绍了紧急锁止式卷收器的基本结构，分析了卷收器各部件的工作原理。从理论上给出了车感座凹槽的倾角与锁止时间的关系，并与ADAMS仿真结果进行了比较。同时利用ADAMS软件仿真，得出了车感座凹槽倾角大小与最小锁止加速度之间的关系，并利用Matlab进行二次多项式拟合，得到两者之间的关系式。本文的分析对系列化产品的设计和开发具有一定的理论意义。