新型预紧限力式卷收器的开发及应用

胡晏殊 刘昕耀 刘雪姣 刘佳男

摘 要：本文讲述了新型卷收器的研发设计过程。首先明确设计目标，通过仿真验证设计思路的正确性，然后进行产品设计，完成最终的产品试验验证。本文提出现有卷收器存在的问题，通过仿真验证得出，更改目前存在的问题，可以增强对假人的约束，明显改善假人的胸压。通过更改现有产品的结构，将锁止端与预紧端放在同一侧，从结构上避免了问题的出现，通过多种多次的试验验证了新型卷收器的效果。根据上述描述可提供新型产品的设计思路及新型卷收器的设计方向，为实现更好的安全带约束作用提供参考。

关键词：新型卷收器 仿真验证 假人约束

1 引言

安全带卷收器常见的类型包括紧急锁止式卷收器、限力式卷收器和预紧限力式卷收器。基于2018版C-NCAP针对后排得分权重的增加，后排安全带配置也在提升。统计截止到2019年第四批数据，2018版C-NCAP的全部碰撞车型，前排预紧限力式安全带占比96%，后排预紧限力式安全带占比57%，此数据比例较2015版预紧限力式安全带占比有很大的提升。而针对获得5星的车型统计，前排预紧限力式安全带占比100%，后排高达81%。由此可见，在现有市场，预紧限力式安全带已经成为最普遍的安全带配置，也是保证乘员安全的基础配置。

虽然近年来主动安全、行人保护成为人们关注的重点，但是乘员保护部分在C-NCAP中比重依旧十分高，统计截止到2019年第四批数据，乘员保护部分的平均得分率为86.49%，而获得5星的车型得分率则高达91.77%，由此可见乘员保护部分依旧是碰撞安全的基础，碰撞安全与安全系统的表现息息相关，因此性能更稳定及在碰撞中表现更优异的安全带则是主机厂及各位汽车用户所期待的。

2 产品设计思路

现有安全带存在的问题包括1）限力初期，overshoot过冲问题。2）预紧转限力阶段，跌落明显。3）限力不稳定，浮动范围较大。4）预紧后，僵持时间过长，锁止延时。对于锁止端和预紧端在不同侧的卷收器，以上问题较为常见的情况。

产品设计目标就是解决这些问题，新型预紧限力式卷收器将锁止端与预紧端放在同一侧，从结构上避免以上问题的发生，大大降低预紧功能实现后对限力过程的影响。

3 安全带仿真模型的建立及验证

3.1 安全带系统仿真模型的建立

本文基于LS-DYNA软件进行安全带系统仿真技术研究，利用有限元方法模拟座椅、安全带、假人等零部件系统，进行滑台试验工况下安全带系统仿真分析，如图3所示。

3.2 仿真和试验力值数据对标

采用的新型卷收器的工况，建立安全带系统仿真模型，通过计算安全带卷收器出口力B1、肩带力B3、腰带力值B6的曲线，同滑台实验时安全带各部分的力值曲线进行对标，经计算cora值为0.85以上，仿真和试验结果相似度较高，可以用于下面的研究对比。

通过调整模型中预紧限力参数，实现新卷收器（H7）和现有卷收器（H4）两种状态模型。提取模型中的胸部压缩量、胸部位置前移量、骨盆位置前移量，用来对比假人的运动状态，进而观测对假人的束缚能力。

以50Kph的某主机厂实车波形进行仿真分析，得到曲线如下：

由曲线可以看出：

1）新型卷收器胸压上升提前，对假人约束实现的更早。在前期胸部压缩量改善2.5mm，后期胸部压缩量改善7.5mm。

2）胸部位移量降低15mm，对假人胸部约束加强。

3）骨盆位移量降低15mm，对假人骨盆约束加强。

针对64Kph某主机厂波形进行验证，得出结果与50Kph的结果一致。由此可以得出，新型卷收器改善现有卷收器的存在的overshoot、预紧转限力阶段跌落明显，预紧后僵持时间过长等问题，可以明显增强对假人的约束，对于胸部及骨盆的约束都有明显的改善。

4 试验验证

对于新型卷收器进行了多次试验验证。试验方式包括台架试验、白车身试验、实车试验等，试验波形为不同主机厂的不同车型，共7种波形。以其中两个试验结果为例，展示新卷收器及现有卷收器的差异。

4.1 台架试验验证

试验采取TNO假人，某主机厂实车波形，实车座椅进行台架试验验证。新型卷收器通过调整参数，得到两种状态，试验测量出口力、肩带力进行力值结果比较。

通过试验结果可以看出，新型卷收器对于改善overshoot、预紧后跌落以及预紧后锁止不及时等现象都有明显改善，而通过调整新型卷收器的参数可以看出，状态2效果更加明显，改善更大。

4.2 实车试验验证

试验采取HybridⅢ50%假人，某主机厂实车波形，64Kph的偏置实车碰撞试验验证。试验测量肩带力和胸部压缩量进行结果比较。

通过试验结果可以看出，新型卷收器肩带力overshoot明显改善，预紧后跌落改善，锁止时间提前，限力过程中更加平稳。装有现有卷收器的实车碰撞假人胸部压缩量为28.5mm，装有新型卷收器的实车碰撞假人胸部压缩量为24.2mm，胸部压缩量得到明显的改善。通过此次实车碰撞结果可以看出，新型卷收器达到设计的理想效果。

5 结论

本文针对一款新型的预紧限力式卷收器的开发过程进行简单的介绍。通过明确产品设计思路后，进行仿真及相关试验验证。得出以下结论：

1）新型卷收器可適应更多车型，大大降低了安全带力值中存在的预紧后跌落、过冲、限力不平稳等问题。

2）通过仿真模拟及试验验证，可得出新型卷收器降低假人胸压值，对假人的约束效果更好。

3）新型卷收器进行模块化设计，可搭配不同的功能需求，以满足主机厂未来对安全带的发展要求。

综上所述，本文通过使用模拟仿真计算得到产品设计方向为正确的，后进一步通过实际数据验证新型卷收器的效果。通过改变预紧端的位置，实现从结构上避免预紧对限力作用的影响，为今后卷收器产品的设计思路提供更多的选择，对安全带生产厂家的设计有一定的指导意义。