汽车安全带钢丝插锁与钢板插锁约束分析

高峰　刘雪姣　刘昕耀　韩啸

摘 要：提升安全带约束性能是安全带行业重点关注问题，构建完善的约束系统对乘员保护具有重要的研究价值。插锁作为汽车安全带重要组成部分，是系统优化研究的热点之一。柔性钢丝插锁和刚性钢板插锁是最常见的安全带插锁类型，文章通过仿真方式验证钢丝插锁和钢板插锁在碰撞过程中的表现，得出在滑台碰撞过程中柔性插锁与刚性插锁的约束效果不同，钢丝插锁对乘员约束性能更好，为优化被动安全约束系统提供更多选择性。

关键词：安全带 钢丝插锁 钢板插锁 约束分析

1 前言

安全带作为汽车碰撞过程中重要的保护装置之一，在汽车的约束系统中发挥着极为重要的作用[1]。其无论是卷收器、插锁、端片等固定点的位置均有多种多样的形式。国外相关学者与工程人士针对卷收器的研究较为完善[2]，针对插锁的研究却较为缺乏。插锁作为安全带腰带部分约束的重要组成部分，具有很重要的研究价值。

常见的插锁形式如图1所示。目前乘用汽车前排常见插锁类型为钢丝插锁和钢板插锁，后排常见为钢板插锁和织带插锁。钢板插锁称为刚性插锁，钢丝插锁和织带插锁称为柔性插锁。在佩戴过程中，刚性插锁由于支架为钢板结构，其与假人贴合性较差，而在碰撞过程中，刚性插锁的钢板支架会产生变形贴合假人。柔性插锁其支架为钢丝或者织带，其在佩戴过程和碰撞过程中，假人贴合性均较好。插锁贴合性与约束效果之间的关系研究正是本文的主要内容。

安全带动态试验，以假人作为安全带的加载体，通过滑车模拟碰撞试验装置进行[3]。本文通过仿真搭建滑车模型，验证柔性钢丝插锁与刚性钢板插锁在碰撞过程中对假人的约束差异，对比安全带力值表现、预紧距离、假人前移量以及假人胸压的差异，进而分析两种插锁的约束效果差异。

2 安全带仿真模型搭建

仿真模型使用实车座椅，Hybrid III型第50百分位男性假人进行仿真模拟。采用国标GB14166-2013中50km/h碰撞波形，卷收器点火时间设置为10ms。

按照国标GB14166-2013标准要求图2所示位置，T点为躯干参考点，用以评估假人胸部前移量，P点为骨盆参考点，用以评估假人骨盆前移量。在仿真模型中测量假人的胸部前移量和骨盆前移量，判定假人运动情况。

仿真模型设置，除钢丝插锁与钢板插锁差异外，其他设置均相同，且钢丝插锁长度与钢板插锁长度基本相同，进而更加准确的直观的对比柔性插锁与刚性插锁对假人约束的差异。

由于柔性插锁和刚性插锁在初始布置过程中本身存在的差异，我们在模型初始布置中将钢丝插锁锁头贴近假人，钢板支架布置后与假人存在一定距离。与实际产品安装后表现一致。

3 不同插锁仿真结果对比

3.1 安全带力值表现

柔性钢丝支架曲线用Flexible表示，刚性钢板支架曲线用Rigid表示。通过仿真运算，调取相应的仿真结果，查看安全带卷收器力值B1、肩带力值B3和卷收器预紧距离，如图5所示。

由卷收器力值和肩带力值曲线可以看出，13ms预紧开始后，钢板插锁相比于钢丝插锁的预紧力值更低，预紧后跌落更大，钢丝插锁限力上升提前。对比预紧距离可以看出，钢板插锁预紧距离更大。

预紧存在差距的原因是钢丝插锁的锁舌比较贴合假人，钢板插锁的锁舌与假人存在一定距离，预紧过程中，钢板支架变形贴合假人，所以钢板支架预紧距离大，预紧力值比较低。钢丝支架由于与假人之间的间隙较小，所以预紧力值大，预紧距离小。

通过仿真运算，调取相应的仿真结果，查看安全带插锁力值B4、腰带力值B6，如图6所示。

由插锁力值和腰带力值曲线可以看出，钢丝插锁的插锁力值B4和腰带力值B6峰值位置较钢板插锁提前。原因是钢丝插锁初期更加贴合假人整体对于骨盆的约束效果更好。而相比较钢板插锁模型中，插锁力值B4低，而腰带力值B6高，查看动画看出，钢板插锁模型假人在运动过程出现扭转现象，假人绕Z轴出现向右方向的旋转，这是导致力值差异的主要原因。

因此可以得出钢板插锁和钢丝插锁会影响假人的整体运动趋势，通过力值表现判定钢丝插锁对于假人的约束效果更好。

3.2 假人位移量表现

通过对比假人胸部前移量和骨盆前移量，查看对比假人的运动趋势，用作判定钢板插锁和钢丝插锁对假人的约束差异。按照图2所示参考点位置，调取胸部前移量和骨盆前移量曲线如下：

通过对钢丝插锁和钢板插锁两种工况，胸部和骨盆前移量数据对比可以看出，无论是胸部前移量还是骨盆前移量，在整个动态碰撞过程中，钢板插锁的前移量均大于钢丝插锁的前移量。

前移量是约束效果的重要衡量因素之一，在60ms最大骨盆前移量时刻，钢板插锁骨盆前移量大于钢丝插锁前移量将近31mm。由此可以得出，钢丝插锁的约束效果明显高于钢板插锁。

3.3 假人胸部压缩量表现

调取假人胸部压缩量曲线对比，结果如下：

图8中显示，使用钢丝插锁的安全带约束提前，其前期胸压较钢板插锁高一些，60ms以后胸压基本维持在33mm左右，相比钢板插锁胸压有所下降。

由于胸压的表现取决于系统约束效果，而且跟波形，点火时间都有一定的关系，因此对于钢丝插锁和钢板插锁对于胸压的影响，钢丝插锁并非一定会改善胸压。

因此，通过更改波形和点火再次进行模型验证，其安全带力值表现、假人前移量结果均与国标波形结果一致，而胸部压缩量结果如下：

之前验证的国标波形能量集中在前期80ms之前，因此设置新波形挑选能量分布时间较长，能量相对低一些，验证结果看出，与国标波形结果相反，新波形验证钢丝支架胸压更高一些。

钢丝插锁和钢板插锁对于胸部压缩量的影响，单纯使用安全带工况验证并无法完全代表系统表现。由于钢丝支架前期贴合假人，因此钢丝插锁工况在前期假人的胸压通常高于钢板插锁，而在后期是否能改善胸部压缩量，并不是肯定的，需要进行系统匹配。如假人胸压峰值出现在假人砸向气囊的时间内，钢丝插锁有较好的约束效果，对于假人前倾会有改善，在特定情况下是可以达到胸压改善的效果。

安全带的约束性需要考虑多方面的因素，约束性好的安全带有时会导致胸压升高，例如高扭力杆的安全带同等情况下胸压会更高，因此对于约束性能的研究是需要在整车安全系统中优化的，根据车型不同，其需要的约束程度也不同。

较好的约束在系统匹配中更容易实现系统优化的目的。乘员位移量减少，乘员和仪表板等内饰之间的距离增多[4]，因此可以在原限力值基础上，降低限力等级，以实现系统优化的目的，为系统优化提供更多选择性。

4 结论

本文对比钢丝插锁与钢板插锁在仿真滑台中的系统表现差异，关注内容包括安全带力值，预紧距离，假人前移量以及胸部压缩量。得出以下结论：

（1）钢板插锁与假人间隙量大，通过卷收器力值B1和肩带力值B3可以看出，钢板插锁预紧力值更低，预紧量更大，腰部力值B4和B6峰值均延后，力值对比表明钢丝插锁约束效果比钢板插锁更好。

（2）通过对比骨盆前移量和胸部前移量，钢丝插锁前移量整个运动过程均小于钢板插锁前移量，可以得出钢丝插锁对胸部和骨盆的约束效果明显高于钢板插锁。

（3）钢丝插锁和钢板插锁对于胸压的影响，要综合考虑整个系统的表现。车身环境，碰撞波形，点火时间等因素都会导致胸压的差异。钢丝插锁的约束性更高，为系统匹配提供更多可优化设计的选择性，对空间较小的车型系统匹配更加有利。

安全带的存在本身就是一种对乘员的约束，在保证人身安全基础上，提升安全带的约束性能一直是安全带行业追求的目标。常见的预紧产品，锁止锁舌等目的都是提升对假人的约束效果，而本文提出的钢丝插锁约束效果高于钢板插锁，为提高系统约束提供又一种可供选择的方案，为被动安全系统匹配提供更多新形式的选择。

参考文献：

[1]张骋．安全带在约束系统集成中的应用[J].时代汽车，2020（23）：146-147．

[2]郑东州．安全约束系统动力学及关键零部件研究[D]．广州：华南理工大学，2023．

[3]彭洪梅，王东辉，鞠伟，等．正面碰撞前排乘员安全带保护效果研究[C]．2021中国汽车工程学会年会暨展览会，2021.

[4]金剑．汽车安全带动态性能的试验研究和数字仿真[D]．长春：吉林大学，2020．