汽車安全帶鎖扣慣性失效研究

鄭東州，杜群貴

（華南理工大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510640）

1 引言

汽車安全帶是發(fā)生車輛碰撞時最有效的保護裝置［1］，鎖扣是使安全帶正常發(fā)揮其約束性能的關(guān)鍵組成部分。鎖扣失效不僅僅指其組成部件的破壞或應(yīng)力屈服的材料失效，也包括在某些條件下鎖扣不能完成要求的動作的功能失效。慣性開啟是在使用者主動開啟鎖扣前不能保持鎖止?fàn)顟B(tài)的一種功能失效［2］。因為沖擊或其他因素使鎖扣產(chǎn)生很大的加速度，從而在巨大慣性力作用下使鎖扣發(fā)生開啟，導(dǎo)致安全帶約束能力減小，即為慣性失效。美國聯(lián)邦機動車安全標(biāo)準(zhǔn)（FMVSS）209曾規(guī)定鎖扣設(shè)計應(yīng)最小化發(fā)生事故開啟的可能性［3］。國內(nèi)目前對鎖扣失效的研究文獻很少，對針對該問題進行探討，對深入理解鎖扣失效，結(jié)構(gòu)改進以及新產(chǎn)品的開發(fā)提供理論依據(jù)［5］。

2 鎖扣工作原理及慣性開啟原理

2.1 工作原理

某款典型安全帶鎖扣結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。其工作原理，如圖2所示。左圖為解鎖狀態(tài)，右圖為鎖止?fàn)顟B(tài)。

圖1 鎖扣結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Belt Structure Diagram

圖2 機構(gòu)運動簡圖Fig.2 Kinematic Diagram of Mechanism

鎖止過程：如圖2所示，鎖舌推動弓形件向下運動，彈出件繞與弓形件的連接點轉(zhuǎn)動，彈簧被壓縮。當(dāng)弓形件運動到與鎖銷同一水平位置并繼續(xù)向下運動時，彈出件左端帶動鎖銷向左運動，并帶動鎖閂逆時針轉(zhuǎn)動。運動到鎖銷在豎直方向不受到通孔的約束時，彈出件在彈簧力作用下將鎖銷壓到通孔的左壁上，進而鎖閂頂部的勾形結(jié)構(gòu)（見圖1）勾住鎖舌內(nèi)孔。此時鎖舌上的力撤去，在彈簧力的作用下，彈出件和弓形件共同上移，移動到通孔的頂部完成鎖止過程，圖2右側(cè)即為鎖止?fàn)顟B(tài)。

解鎖過程：在圖2 中，解鎖時乘員按壓按鈕，按鈕與鎖銷接觸，兩者共同向下運動，同時帶動彈出件同向運動，彈簧繼續(xù)壓縮。當(dāng)鎖銷運動到右側(cè)無約束時，彈簧力作用使鎖銷向右運動，弓形件向上運動彈出鎖舌，完成解鎖。

2.2 慣性開啟原理

通過以上工作原理分析可知，鎖扣要解鎖需要滿足兩個條件：（1）作用力值達到開啟力；（2）鎖銷位移達到開啟距離。在鎖扣承受大的加速度載荷時，簧上零件的質(zhì)量產(chǎn)生慣性力，充當(dāng)開啟力壓縮彈簧導(dǎo)致鎖銷產(chǎn)生位移，由此發(fā)生開啟，即慣性開啟失效。

3 動力學(xué)分析

3.1 理論分析

根據(jù)鎖扣工作原理及慣性失效原理分析，可建立鎖扣動力學(xué)模型，如圖3所示。

圖3 鎖扣動力學(xué)模型Fig.3 Buckle Dynamic Model

圖3中x為相對于車輛靜止的參考系，x1為固定在鎖扣的參考系，選取車身為慣性空間，坐標(biāo)系x作為定參考系，x1作動參考系。加速度a為鎖扣加速度，位移s為質(zhì)量m相對于鎖扣的運動。根據(jù)運動學(xué)相關(guān)理論，質(zhì)量m在x參考系下的運動為絕對運動，在x1參考系下的運動s為相對運動，加速度a引起的運動為牽連運動。牽連運動為鎖扣整體的平移平移，因此質(zhì)量m的絕對加速度等于鎖扣整體平移加速度與m相對鎖扣的加速度的矢量和，即：

在定參考系x下根據(jù)牛頓第二定律建立動力學(xué)方程：

式中：m—簧上零件零件質(zhì)量；f—槽型座與鎖銷之間的摩擦力；s—鎖銷在動參考系下的位移；Fk(s) —彈簧力；sa—鎖銷在定參考系下的位移。

在鎖扣裝配體中彈簧存在預(yù)緊量，且彈簧剛度為一定值，因此：

式中：k—彈簧剛度；c—彈簧裝配預(yù)緊力。

對鎖銷進行受力分析可得摩擦力f的表達式，鎖銷左右兩側(cè)分別受到槽型座和鎖閂的壓力，且鎖閂和槽型座材料相同，即兩者摩擦系數(shù)相同，鎖銷及鎖閂受力示意圖，如圖4所示。

圖4 鎖銷及鎖閂受力簡圖Fig.4 Sketch of the Force of the Buckle Pin and the Bolt

忽略鎖銷自重由靜力平衡可得f1=f2=Fn μ，由鎖閂受力矩衡可得Ftx=Fny，因此鎖銷受到的摩擦力：

式中：Ft—作用在鎖扣上的拉力；μ—鎖銷材料和鎖閂材料之間的動摩擦系數(shù)，x，y，如圖4所示。

將式（3）、式（4）代入到式（2）可得：

此方程為二階非齊次線性微分方程，當(dāng)a＞且為常數(shù)時動力學(xué)方程通解為：

將初始條件代入方程通解得C1=-，C2= 0，因此質(zhì)量m相對于鎖扣體的位移為：

上式即在鎖扣受到恒加速度a作用下s隨時間t的變化式。由上式可知s存在最大值，即設(shè)鎖扣的開啟位移為s'，smax=s'時amin=，因此當(dāng)鎖扣受到加速度小于amin時，鎖扣不存在慣性失效的情況；當(dāng)鎖扣加速度大于等于amin時，加速度作用時間大于t=時會發(fā)生慣性失效。

綜上所示，鎖扣慣性失效與加速度波形和加速度作用時間相關(guān)，不同的加速度波形作用下鎖銷相對于鎖扣體的運動方程不同，在加速度為恒值作用下，是否發(fā)生慣性解鎖與加速度大小及加速度作用時間相關(guān)。

3.2 實例計算

根據(jù)以上分析，選取某企業(yè)生產(chǎn)的鎖扣計算，該款鎖扣主要參數(shù)，如表1所示。

表1 鎖扣結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Structural Parameters of Buckle

當(dāng)拉力Ft= 0時，將上表數(shù)據(jù)代入到可計算得到：

此時所需要的時間為：

因此，當(dāng)該款鎖扣在不受織帶拉力、加速度不小于157.65g且加速度作用時間不小于9.52ms情況下存在著慣性失效風(fēng)險。

為了探究加速度值對慣性失效的影響，以加速度a為x軸，時間t為y軸，鎖銷相對于鎖扣體的位移為z軸繪制三維曲面圖，如圖5所示。

圖5 相對位移s隨時間和加速度變化圖Fig.5 Surface Map of Relative Displacement

由圖可知，當(dāng)加速度小于157.65g時不會發(fā)生慣性失效；當(dāng)加速度大于157.65g且隨著加速度的增加，慣性失效所需要的時間減小。加速度與相對位移達到開啟位移所需時間圖，如圖6 所示。由圖可知，隨著加速度的增大，所需時間減小，因此可知加速度值的增大會減小相應(yīng)最小作用時間，但兩者之間是非線性關(guān)系，在加速度增加較小時，所需要的失效時間迅速下降，隨著加速度的繼續(xù)增大，失效時間下降速率越來越小。

圖6 失效時間與加速度關(guān)系圖Fig.6 Relation Chart of Failure Time and Acceleration

根據(jù)動力學(xué)方程及其解可知，作用在鎖扣上的織帶拉力Ft，等效彈簧剛度k以及簧上質(zhì)量m對鎖銷相對于鎖扣體的位移具有較大影響，在Matlab中分別畫出鎖扣體在不同拉力作用下，在不同時間內(nèi)要發(fā)生慣性失效所需的最小加速度曲線；在臨界加速度情況下，彈簧剛度對鎖銷發(fā)生最大相對位移量及時間的影響曲線，以及不同質(zhì)量情況下的臨界加速度及所需時間曲線，如圖7～圖9所示。

圖7 加速度閾值與時間、拉力關(guān)系圖Fig.7 Relation Chart of Acceleration Threshold，Time and Pull

由圖7可知，當(dāng)作用在鎖扣上的拉力越大時，發(fā)生慣性失效所需的最小加速度越大，二者呈線性關(guān)系。同時要求的最小加速度與作用時間也相關(guān)，當(dāng)時間減小，所需的最小加速度增大，特別是在6ms之后，時間增大會迅速。

由圖8、圖9可知，隨著等效剛度的增大，達到最大位移所需時間和最大移動距離都會相應(yīng)減小。隨著質(zhì)量m增大，臨界加速度減小，而達到臨界加速度所需要的時間增大。

圖8 臨界加速度和時間與質(zhì)量關(guān)系圖Fig.8 Relation of Critical Acceleration，Time and Mass

圖9 時間、相對移動距離與剛度關(guān)系圖Fig.9 Relation Chart of Time，Relative Displement and Stiffness

綜上所述，增大織帶拉力、增加等效彈簧剛度均有利于避免慣性失效的發(fā)生，而增大質(zhì)量在增大加速度作用時間的同時會減小臨界加速度，因此質(zhì)量改變對慣性失效存在雙重效果，當(dāng)已知鎖扣承受加速度時間較短且承受加速度較大時應(yīng)減小質(zhì)量，相反情況下應(yīng)該增大質(zhì)量。

3.3 Adams仿真驗證

根據(jù)企業(yè)提供的零件三維模型，在Solidworks中進行裝配并導(dǎo)入到adams中，建立運動副約束，基于碰撞設(shè)置接觸，最后對槽型座和地面之間的移動副施加加速度驅(qū)動。設(shè)置完畢后添加鎖銷相對于槽型座的位移測量，通過設(shè)置不同加速度驅(qū)動值觀察位移測量曲線判斷是否發(fā)生慣性失效。

當(dāng)加速度為1545m/s2時，相對位移曲線仿真值與理論計算值對比，如圖10 所示。在0.009s 左右之前兩者曲線較為吻合，在0.009s左右之后二者曲線發(fā)生了較大偏差，主要因為在0.009s左右相對位移達到了開啟位移4.5mm，因此之后為慣性失效后的相對位移，adams能仿真出慣性失效后的準(zhǔn)確相對位移值，理論計算并不能準(zhǔn)確計算出失效發(fā)生后的位移值，對鎖扣慣性失效條件進行研究，可以通過觀察對比相對位移與開啟位移值來判斷是否發(fā)生慣性失效。綜上所述，在相對位移小于開啟位移階段，所建立的動力學(xué)模型求解結(jié)果與仿真結(jié)果具有較高的一致性，證明了動力學(xué)模型的正確性。

圖10 理論計算與仿真對比圖Fig.10 Comparison Chart of Theoretical Calculation and Simulation

4 結(jié)論

通過鎖扣工作原理分析引入鎖扣慣性失效的概念，對鎖扣的工作過程及慣性失效過程進行了詳細闡述，基于慣性失效原理和鎖扣結(jié)構(gòu)建立相應(yīng)的動力學(xué)模型，確定了鎖扣在受到恒定加速度時鎖扣慣性失效判斷指標(biāo)。結(jié)合某款鎖扣進行實例分析，確定了該款鎖扣慣性失效條件及主要參數(shù)對失效發(fā)生的影響。最后通過adams仿真鎖扣在加速度載荷下的動力學(xué)響應(yīng)與理論計算相對比驗證了理論模型的正確性。該理論模型對理解慣性失效現(xiàn)象的發(fā)生以及對工程人員進行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)改進及開發(fā)具有一定的指導(dǎo)意義。