基于剪切增稠流體的安全帶制動(dòng)裝置創(chuàng)新設(shè)計(jì)

朱坤鵬

摘要：為提高安全帶的舒適性，避免緊急制動(dòng)時(shí)造成二次傷害和磨損，本文設(shè)計(jì)一種安全帶制動(dòng)裝置?；诩羟性龀砹黧w效應(yīng)使安全帶起到制動(dòng)效果，利用轉(zhuǎn)子圓周面和端面剪切增稠流體提供的阻力進(jìn)行高效制動(dòng)，同時(shí)縮小體積。依據(jù)國標(biāo)中緊急制動(dòng)時(shí)安全帶的速度和拉力，根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析，結(jié)合對(duì)剪切增稠流體粘度-剪切速率曲線的分段化處理，計(jì)算出滿足要求的轉(zhuǎn)子直徑、厚度、轉(zhuǎn)子端面和側(cè)面與殼體的間隙、四個(gè)齒輪齒數(shù)等關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)。

Abstract： In order to improve the comfort of safety belt and avoid secondary injury and wear during emergency braking， a safety belt braking device is designed in this paper. Based on the shear thickening fluid effect， the safety belt has the braking effect， and the resistance provided by the shear thickening fluid on the circumferential surface and the end surface of the rotor is used for efficient braking， and the volume is reduced at the same time. According to national standard in the seat belt when emergency braking of speed and tension， according to the kinematic and dynamic analysis， the combination of shear thickening fluid viscosity and shear rate curve segment， calculate meet the requirements of the rotor diameter， thickness， the clearance between housing and rotor end and side， four key design parameters such as the gear teeth.

關(guān)鍵詞：剪切增稠流體;安全帶;制動(dòng)裝置;分段線性化

Key words： shear thickened fluid;seat belts;brake rigging;piecewise linearization

中圖分類號(hào)：TU976.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2020）24-0209-03

0? 引言

在生活節(jié)奏逐步加快的今天，汽車已經(jīng)成為人們出行時(shí)必不可少的工具，減少了交通通勤所用的時(shí)間，但同時(shí)會(huì)造成安全事故。當(dāng)車禍來臨時(shí)，如果不系上安全帶，在慣性的作用下，人體就會(huì)飛離座位，造成人員的擦傷、撞傷，存在嚴(yán)重安全隱患[1]。安全帶的普及能有效的防止人體離開座位，但是不正確使用依舊會(huì)給人體帶來二次傷害[2]，而且由于系安全帶后擠壓身體產(chǎn)生不適，許多人不愿意系上安全帶。安全帶的束縛作用主要由安全帶制動(dòng)裝置提供，因此進(jìn)一步改進(jìn)安全帶制動(dòng)裝置設(shè)計(jì)有重要的意義。

目前人們使用的安全帶主要是緊急鎖止式汽車安全帶[3]。這類安全帶有著經(jīng)濟(jì)實(shí)用、體積小、反應(yīng)迅速等優(yōu)點(diǎn)[4]，技術(shù)較為成熟，獲得廣泛應(yīng)用。但是此類安全帶舒適性卻比較低[5]，而且制動(dòng)裝置主要利用棘輪棘爪制動(dòng)，仍存在磨損等問題，可能造成安全帶失靈等安全事故[6]。

針對(duì)現(xiàn)有安全帶的不足，本文嘗試設(shè)計(jì)基于剪切增稠流體[7、8]的安全帶制動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)制動(dòng)，以保障人們舒適安全地使用安全帶。剪切增稠流體的特性為進(jìn)一步提高現(xiàn)有安全帶舒適性，解決緊急制動(dòng)時(shí)造成二次傷害和磨損等問題提出了可能。本文將對(duì)基于剪切增稠流體的安全帶制動(dòng)裝置的進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)。

1? 裝置組成和原理

參考圖1，所設(shè)計(jì)的安全帶制動(dòng)裝置主要由三大部分組成，分別是傳動(dòng)部分、變速部分以及制動(dòng)部分。其中，傳動(dòng)部分主要由安全帶、槽輪、槽輪軸組成;變速部分主要由轉(zhuǎn)子軸以及四個(gè)齒輪組成的齒輪系組成;制動(dòng)部分主要由轉(zhuǎn)子與剪切增稠流體組成。該裝置的原理為：在車禍發(fā)生時(shí)，駕駛員會(huì)由于慣性迅速向前移動(dòng)并拉出安全帶。傳動(dòng)裝置將安全帶的拉出速度通過摩擦力作用在槽輪上，使槽輪獲得與安全帶一致的線速度進(jìn)而旋轉(zhuǎn)起來。這一旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過軸傳遞至變速部分的z1齒輪，通過z1/z2和z3/z4兩處齒輪的配合作用，實(shí)現(xiàn)變速功能。z4是變速部分的輸出齒輪，通過軸與轉(zhuǎn)子固連，帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。而轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)使轉(zhuǎn)子與殼體間的剪切增稠流體發(fā)生剪切運(yùn)動(dòng)，從而使剪切增稠流體發(fā)揮作用，反過來對(duì)轉(zhuǎn)子起到制動(dòng)效果，最終對(duì)安全帶起到制動(dòng)作用，達(dá)到使人體減速的目的。所設(shè)計(jì)裝置的一個(gè)顯著特點(diǎn)是，充分利用轉(zhuǎn)子圓周面和2個(gè)端面剪切增稠流體提供的阻力進(jìn)行制動(dòng)，有助于在提高制動(dòng)效果的同時(shí)縮小體積。

2? 緊急制動(dòng)時(shí)安全帶的速度和拉力

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)[9]，要求安全帶在被拉出加速度為2.94 m/s2時(shí)，制動(dòng)裝置（卷收器）在拉出長度不大于50 mm的位置上鎖止。假設(shè)制動(dòng)距離為50mm，即0.05m，此時(shí)傳統(tǒng)安全帶制動(dòng)裝置棘輪發(fā)生作用，將運(yùn)動(dòng)突然停止。這里，不考慮安全帶的彈性，且認(rèn)為棘輪發(fā)生作用前安全帶是勻加速運(yùn)動(dòng)。

這樣，傳統(tǒng)安全帶在拉出t秒時(shí)達(dá)到制動(dòng)距離可根據(jù)勻加速運(yùn)動(dòng)公式計(jì)算：

棘輪制動(dòng)時(shí)安全帶的拉出速度（m/s）：

假設(shè)駕駛員質(zhì)量100kg，其中上身質(zhì)量為50kg，又假設(shè)棘輪制動(dòng)時(shí)間為0.08s，根據(jù)動(dòng)量定理計(jì)算安全帶對(duì)駕駛員的作用力合力（N）：

這樣，假設(shè)兩側(cè)安全帶對(duì)人體作用力大小相等，且與合力方向相同。則兩側(cè)安全帶對(duì)人體作用力均為：

根據(jù)牛頓第三定律，安全帶被拉出的力大小也為165.6 N，為了方便同樣記為F。

3? 詳細(xì)計(jì)算和設(shè)計(jì)

取槽輪直徑d0約0.1m，又根據(jù)緊急制動(dòng)時(shí)安全帶的拉出速度0.53m/s，可計(jì)算出槽輪旋轉(zhuǎn)角速度ω1：

參考圖1進(jìn)行安全帶制動(dòng)裝置主要參數(shù)的計(jì)算和設(shè)計(jì)。初取轉(zhuǎn)子直徑d為0.15m、殼體內(nèi)徑D為0.154m，則轉(zhuǎn)子與殼體之間的間隙h為0.002m。

參考圖2，根據(jù)文獻(xiàn)[10]，對(duì)于體積分?jǐn)?shù)為54%的剪切增稠液體，在剪切速率區(qū)間 [200s-1，250s-1]，粘度隨著剪切速率的提高從25Pa·s近似線性提高到95Pa·s。

參考圖1進(jìn)行緩降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和計(jì)算，初取轉(zhuǎn)子直徑d為0.15m、殼體內(nèi)徑D為0.154m，則轉(zhuǎn)子側(cè)面與殼體之間的間隙h為0.002m。根據(jù)文獻(xiàn)[10]，二氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為54%的剪切增稠流體，剪切速率區(qū)間 [200s-1，250s-1]是近似線性的剪切增稠段。取制動(dòng)部分在緊急制動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子的剪切速率為剪切增稠段的中點(diǎn)，對(duì)應(yīng)剪切速率和粘度分別為225s-1和50Pa·s，該剪切速率對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子（與齒數(shù)為z4的齒輪固連）的轉(zhuǎn)速：

參考圖3進(jìn)行傳動(dòng)部分的設(shè)計(jì)和計(jì)算，總的傳動(dòng)比應(yīng)滿足：

取齒數(shù)z1、z2分別為20和53，齒數(shù)z3、z4分別為12和8，該方案?jìng)鲃?dòng)比：

滿足要求的傳動(dòng)比。

再在對(duì)圖1中的轉(zhuǎn)子進(jìn)行受力分析，安全帶對(duì)槽輪拉力在轉(zhuǎn)子上存在等效力矩，這一等效力矩與轉(zhuǎn)子側(cè)面和左右端面受到的阻力矩之和平衡。首先計(jì)算安全帶對(duì)槽輪拉力在轉(zhuǎn)子上的等效力矩（Nm）：

然后，分別計(jì)算轉(zhuǎn)子側(cè)面和左右端面受到的阻力矩。轉(zhuǎn)子側(cè)面受到的阻力矩：

接著，計(jì)算轉(zhuǎn)子左右端面受到的阻力矩，二者是一樣大的。

參考圖4，根據(jù)文獻(xiàn)[10]中體積分?jǐn)?shù)為54%材料的粘度-剪切速率曲線特點(diǎn)，將該曲線分成AB和BC兩段并線性化。讀圖可知，A、B、C三點(diǎn)的坐標(biāo)分別為（1，5）、（180，5）、（230，60），進(jìn)一步可算出分段線性化后的粘度-剪切速率函數(shù)表達(dá)式為：

先初取端面間隙h為0.002m，在圓周面上對(duì)應(yīng)的剪切速率是整個(gè)端面對(duì)應(yīng)間隙中流體的最大剪切速率max：

忽略小于1s-1的區(qū)間，整個(gè)端面對(duì)應(yīng)間隙的剪切速率的區(qū)間是[1s-1，225s-1]。

以下根據(jù)式（11）的分段函數(shù)計(jì)算轉(zhuǎn)子端面上作用的剪切應(yīng)力。對(duì)于剪切速率區(qū)間[1s-1，180s-1]對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速區(qū)間為[0.002m/s，0.36m/s]，對(duì)應(yīng)的半徑區(qū)間為[0.0003m， 0.06m]。根據(jù)此圓環(huán)區(qū)域的剪切速率均值90.5s-1和對(duì)應(yīng)的粘度值5Pa.s，估算此圓環(huán)區(qū)域受到的剪切應(yīng)力（Pa）為？子1（Pa）：（13）

剪切速率區(qū)間[180s-1，225s-1]對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速區(qū)間為[0.36m/s，0.45m/s]，對(duì)應(yīng)的半徑區(qū)間為[0.06m，0.075m]，利用該圓環(huán)區(qū)域的剪切速率均值202.5s-1及該處的粘度29.75Pa.s，則剪切應(yīng)力？子2（Pa）為：

轉(zhuǎn)子整個(gè)端面上的阻力矩T（Nm）等于兩個(gè)圓環(huán)區(qū)域作用阻力矩的和：

根據(jù)安全帶對(duì)槽輪拉力在轉(zhuǎn)子上的等效力矩M與轉(zhuǎn)子兩個(gè)端面和側(cè)面作用的阻力矩之和平衡，因此：

計(jì)算出轉(zhuǎn)子厚度L約為0.07m，即7cm。

綜上所述，所設(shè)計(jì)的安全帶制動(dòng)裝置的制動(dòng)部分中，轉(zhuǎn)子直徑0.15m，厚度0.07m，轉(zhuǎn)子端面和側(cè)面與殼體的間隙均為0.002m。傳動(dòng)部分中，四個(gè)齒輪中齒數(shù)z1、z2分別為20和53，齒數(shù)z3、z4分別為12和8，傳動(dòng)比為53/30。上述設(shè)計(jì)參數(shù)可滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4? 結(jié)論

提出了一種基于剪切增稠流體的安全帶制動(dòng)裝置創(chuàng)新設(shè)計(jì)，主要結(jié)論如下：

①提出了基于剪切增稠流體的安全帶制動(dòng)裝置創(chuàng)新設(shè)計(jì)，包括傳動(dòng)部分、變速部分以及制動(dòng)部分，傳動(dòng)部分主要由安全帶、槽輪、槽輪軸組成;變速部分主要由轉(zhuǎn)子軸以及四個(gè)齒輪組成的齒輪系組成;制動(dòng)部分主要由轉(zhuǎn)子與剪切增稠流體組成。

②根據(jù)安全帶在被拉出加速度為2.94m/s2、制動(dòng)裝置（卷收器）在拉出長度不大于50mm的位置上鎖止的條件，計(jì)算出安全帶被拉出的力大小為165.6N。

③根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析，結(jié)合對(duì)剪切增稠流體粘度-剪切速率曲線的分段化處理，計(jì)算出轉(zhuǎn)子直徑0.15m，厚度0.07m，轉(zhuǎn)子端面和側(cè)面與殼體的間隙均為0.002m，四個(gè)齒輪中齒數(shù)z1、z2分別為20和53，齒數(shù)z3、z4分別為12和8，傳動(dòng)比為53/30。

本文的研究有助于解決緊急制動(dòng)時(shí)安全帶對(duì)人體造成二次傷害和安全帶自身磨損等問題，但是本研究在設(shè)計(jì)方案的具體實(shí)現(xiàn)方式、裝置體積等方面仍有不足，以后將開展進(jìn)一步研究。

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