汽車安全帶帶扣耐久性試驗系統(tǒng)研制

謝東坡，周 亮，羅 勇，徐建勛，張儀棟，覃國周

(重慶車輛檢測研究院國家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，重慶 401122)

汽車安全帶作為汽車被動安全中極其重要的系統(tǒng)，其作用是限制乘員的突然移動，保護駕駛員和乘客免受二次沖撞造成的傷害。帶扣作為安全帶的重要組成部分，是使安全帶佩戴者能夠被安全帶約束住且能快速解脫的裝置，起著保護乘員和及時逃生的作用，因此，它的性能必須符合相關(guān)標(biāo)準的要求[1-2]。國外汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)達國家均有各自的相關(guān)標(biāo)準，如文獻[3-5]等。我國已于1993年發(fā)布實施了標(biāo)準[6]，其替代標(biāo)準[7]于2003年發(fā)布實施。在本文撰寫期間，最新國家標(biāo)準[8]也正在審定當(dāng)中。

為了更好地服務(wù)于汽車安全帶公告檢測和3C檢測以及相關(guān)生產(chǎn)廠家的研發(fā)試驗，重慶車輛檢測研究院（國家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心）設(shè)備研發(fā)中心開發(fā)了一系列包括汽車安全帶帶扣耐久性試驗臺、安全帶織帶耐磨及微滑移試驗臺、兒童座椅B類鎖止裝置性能試驗臺等在內(nèi)的機動車約束系統(tǒng)零部件試驗臺。本文就其中的汽車安全帶帶扣耐久性試驗系統(tǒng)的研制予以介紹，實物如圖1所示。

1 功能分析與總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)功能分析

為了滿足我國標(biāo)準[7-8]，并兼顧國外主流標(biāo)準，對各相關(guān)標(biāo)準進行了比對，發(fā)現(xiàn)我國與其他國家的標(biāo)準中對帶扣耐久性試驗都有明確的要求，即帶扣應(yīng)能承受反復(fù)操作，在進行規(guī)定的動態(tài)試驗前，帶扣應(yīng)在正常使用條件下經(jīng)受5 000次開閉循環(huán)。

根據(jù)以上標(biāo)準要求，兼顧通用性、完整性、安全性等因素，研制的系統(tǒng)應(yīng)包括如下功能：

1）能適應(yīng)多種型號帶扣和鎖舌的裝卡。

2）解鎖機構(gòu)應(yīng)具有位置調(diào)節(jié)能力。

3）應(yīng)能判斷帶扣鎖止與解鎖動作執(zhí)行成功與否，并對成功的動作進行計數(shù)。

4）系統(tǒng)應(yīng)滿足雙工位試驗需求。

5）試驗頻率、試驗次數(shù)可設(shè)定，試驗壓力可調(diào)節(jié)。

6）具有異常狀況報警和在緊急情況下快速停機的能力。

1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)功能要求，對帶扣耐久性試驗系統(tǒng)進行總體設(shè)計，系統(tǒng)構(gòu)架示意圖如圖2所示。整個系統(tǒng)主要包括機械系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)兩部分。機械系統(tǒng)由工裝夾具、執(zhí)行機構(gòu)和試驗臺柜體等組成。其中工裝夾具主要完成工件及執(zhí)行機構(gòu)的夾裝與調(diào)整，它包括鎖扣夾具、鎖舌夾具和解鎖機構(gòu)夾具；執(zhí)行機構(gòu)可以實現(xiàn)帶扣的鎖止與解鎖動作，它包括鎖止執(zhí)行機構(gòu)與解鎖執(zhí)行機構(gòu)；試驗臺柜體則是實現(xiàn)對工裝夾具、執(zhí)行機構(gòu)及電氣系統(tǒng)的支撐。電氣系統(tǒng)由電源系統(tǒng)、PLC控制器、HMI人機交互觸摸屏、傳感器組、電磁閥組和報警模塊組成。

2 機械系統(tǒng)設(shè)計

2.1 鎖舌和鎖扣夾具

為了滿足前述系統(tǒng)功能1）的要求，所設(shè)計的鎖舌夾具包括可動部分與固定部分。兩者之間的上下位置可通過長孔調(diào)節(jié)，以適合不同型號的帶扣夾裝。鎖舌夾具可動部分上有鎖舌夾持機構(gòu)，既能在插入時對鎖舌具有導(dǎo)向作用，又能給鎖舌一定的自由度。鎖扣夾具主要用于鎖扣的夾裝，亦設(shè)計有可調(diào)裝置，以滿足多種鎖扣夾裝要求。鎖舌和鎖扣夾具如圖3所示。

2.2 解鎖機構(gòu)夾具

鎖扣上解鎖按鈕的位置有與鎖舌插入方向平行或垂直兩種，因而解鎖機構(gòu)應(yīng)具有水平位置與垂直位置之間的調(diào)節(jié)功能。如圖4所示，解鎖氣缸固定在解鎖氣缸基座上，解鎖氣缸基座通過連桿與解鎖位置調(diào)節(jié)基座采用活動連接。當(dāng)在圖4所示位置時，解鎖氣缸基座通過連接板與鎖止氣缸基座固定在一起，可實現(xiàn)水平位置動作。當(dāng)需要垂直位置動作時，則取掉連接板，解鎖氣缸及其基座隨連桿一起轉(zhuǎn)動到垂直位置，通過連桿上的孔與解鎖位置調(diào)節(jié)基座上的長孔實現(xiàn)解鎖氣缸及其基座的固定，這樣就滿足了前述系統(tǒng)功能2）的要求。

2.3 系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計

根據(jù)耐久性試驗的特點，選擇氣缸作為解鎖與鎖止動作執(zhí)行元件，配合適當(dāng)?shù)臍饪鼗芈穼崿F(xiàn)鎖止與解鎖功能。解鎖與鎖止執(zhí)行機構(gòu)原理如圖5所示，氣源進氣通過一個開關(guān)閥后分別進入調(diào)壓閥1與調(diào)壓閥2進行調(diào)壓（以滿足前述系統(tǒng)功能5）中對試驗壓力可調(diào)節(jié)的要求），經(jīng)調(diào)壓后的壓力分別通過4個控制閥進入4個氣缸。鎖止控制閥1、2一個出口分別接鎖止氣缸1、2；另一個出口接堵頭，可控制鎖止氣缸前進或處于自由狀態(tài)（鎖止氣缸將鎖舌鎖止后，即轉(zhuǎn)換為自由狀態(tài)，此時配重砝碼對鎖舌施加一個向后拉力，為解鎖做好準備）。解鎖控制閥1、2的兩個出口分別接解鎖氣缸1、2的兩個接口，可控制解鎖氣缸正反雙向運動。根據(jù)雙工位設(shè)計要求，鎖止氣缸1與解鎖氣缸1作為一組實現(xiàn)工位1的動作，鎖止氣缸2與解鎖氣缸2作為一組實現(xiàn)工位2的動作，兩個工位可相互動作，互不影響，2個接近開關(guān)用于判斷鎖止是否成功，并對鎖止和解鎖成功的動作進行計數(shù)，這樣就滿足了前述系統(tǒng)功能3）和4）的要求。

整個機械系統(tǒng)的設(shè)計滿足雙工位試驗需求，所設(shè)計的帶扣和鎖舍夾具能適應(yīng)多種型號帶扣和鎖舌的裝卡要求，解鎖機構(gòu)具有位置調(diào)節(jié)能力，系統(tǒng)能夠自動判斷帶扣鎖止與解鎖動作執(zhí)行成功與否，并對成功的動作進行計數(shù)。

3 電氣系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)硬件

系統(tǒng)選用費斯托氣缸帶動直線運動單元及旋轉(zhuǎn)運動單元完成開啟、插入等往復(fù)動作。采用歐姆龍光電開關(guān)進行檢測帶扣狀態(tài)是否失效，并進行位置控制和試驗次數(shù)記錄。系統(tǒng)的電氣控制采用PLC，需2個輸入、6個輸出控制點。選用中達電通DVP-ES2系列PLC—DVP 16ES200T，它具有結(jié)構(gòu)緊湊、高速穩(wěn)健、高可靠度、性價比高、指令系統(tǒng)功能強大、較快的處理速度等優(yōu)點。系統(tǒng)中PLC有2個輸入點用于光電開關(guān)輸入，5個輸出點用于控制氣路電磁閥，1個輸出點用于報警輸出。

3.2 系統(tǒng)軟件

1）PLC程序設(shè)計。根據(jù)試驗的操作要求，確定各動作的順序和相互之間的關(guān)系，設(shè)計出程序流程圖，再根據(jù)PLC輸入/輸出的邏輯關(guān)系編寫梯形圖，并下載至PLC控制器即可。程序流程圖如圖6所示。

2）HMI程序設(shè)計。系統(tǒng)配置5.6寸HMI觸摸屏DOP-B05S100進行人機交互，它具有65536色TFT，1個USBHost、1個USB Client和2個串行接口。根據(jù)試驗特點和功能要求，HMI程序設(shè)計了5個顯示頁面，分別是系統(tǒng)主界面、參數(shù)設(shè)置、自動試驗、試驗調(diào)試和結(jié)果統(tǒng)計。系統(tǒng)主界面是HMI的啟動頁面；為了滿足前述系統(tǒng)功能5）中對試驗頻率、試驗次數(shù)可設(shè)定的要求，在參數(shù)設(shè)置頁面設(shè)計了兩個工位的試驗頻率和試驗次數(shù)的設(shè)定功能，且可對系統(tǒng)主氣路進行控制或復(fù)位系統(tǒng)以及對試驗?zāi)Ｊ降倪x擇；在自動試驗頁面可以實現(xiàn)對兩個工位的啟動和停止控制、實時顯示試驗次數(shù)和工作狀態(tài)、并對異常情況進行報警，滿足前述系統(tǒng)功能6）的要求；在試驗調(diào)試頁面，可以根據(jù)需要手動調(diào)試試驗；在結(jié)果統(tǒng)計頁面，則分別統(tǒng)計每個工位的累積試驗次數(shù)和累計工作時間，便于根據(jù)設(shè)備使用情況定期維護設(shè)備或更換備件，以保證設(shè)備處于良好的使用狀態(tài)。

整個電氣系統(tǒng)的硬件設(shè)計構(gòu)架簡潔、運行穩(wěn)定，軟件設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)雙工位的獨立控制，可以完成對實時試驗參數(shù)的監(jiān)測，對異常情況的報警，并可以給出試驗結(jié)果統(tǒng)計信息。

4 結(jié)束語

本文依據(jù)標(biāo)準中對安全帶帶扣耐久性試驗的相關(guān)要求，提煉出帶扣耐久性試驗系統(tǒng)功能，并對應(yīng)于系統(tǒng)功能要求從機械系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)的兩個方面對系統(tǒng)研制進行了論述。通過樣品測試表明，重慶車輛檢測研究院（國家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心）研制的汽車安全帶帶扣耐久性試驗系統(tǒng)，具有自動化程度高、可靠性高、人機交互友好、軟件操作簡便等特點。其各項指標(biāo)滿足國家標(biāo)準對帶扣耐久性試驗的要求，達到了預(yù)期的設(shè)計目的，具有較好的應(yīng)用價值和推廣前景。

[1]馬小軍，張勝波，許必熙，等.汽車安全帶扣自動測試裝置的研制[J].機床與液壓，2006，（12）：158-160.

[2]梁紅玉，李春成.淺談汽車安全帶的技術(shù)性能及其使用[J].汽車實用技術(shù)，2003，（12）：49-50.

[3]FMVSS 209，座椅安全帶總成[S].

[4]ECE R16，安全帶及成人約束系統(tǒng)[S].

[5]JIS D4604，汽車零件座椅帶[S].

[6]GB 14166-1993，汽車安全帶性能要求和試驗方法[S].北京：中國標(biāo)準出版社，1993.

[7]GB 14166-2003，機動車成年乘員用安全帶和約束系統(tǒng)[S].北京：中國標(biāo)準出版社，2003.

[8]GB 14166-2013，機動車乘員用安全帶,約束系統(tǒng),兒童約束系統(tǒng)和ISOFIX兒童約束系統(tǒng)的性能要求和試驗方法[S].北京：中國標(biāo)準出版社，2013.