組合型多點(diǎn)可變安全帶設(shè)計(jì)研究

馮陳程

摘 要：汽車安全帶作為保護(hù)乘員的重要裝置，對(duì)于減少交通事故造成的傷害有著舉足輕重的作用。目前市面上常見的三點(diǎn)式安全帶和四點(diǎn)式安全帶在安全性、舒適性和靈活性等方面各有一定的優(yōu)缺點(diǎn)。本文針對(duì)這兩類安全帶的應(yīng)用情況進(jìn)行研究分析，創(chuàng)造性地提出了一種組合型多點(diǎn)可變安全帶，將兩種安全帶相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)其相互轉(zhuǎn)換的功能，以更好地適應(yīng)消費(fèi)者對(duì)安全性和舒適性等方面的要求。同時(shí)，通過運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)設(shè)計(jì)成果進(jìn)行受力分析，對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和材料進(jìn)行強(qiáng)度檢驗(yàn)，驗(yàn)證了項(xiàng)目設(shè)計(jì)的可行性。

關(guān)鍵詞：汽車安全帶；三點(diǎn)式；四點(diǎn)式；轉(zhuǎn)換機(jī)制；ANSYS有限元分析

安全是人們出行最基本的需求。當(dāng)高速行駛的汽車發(fā)生碰撞或遇到意外緊急制動(dòng)時(shí) ， 將產(chǎn)生巨大的慣性力，這個(gè)慣性力可能超過駕駛?cè)梭w重的20倍（視行車速度及撞擊程度有所不同），使駕駛?cè)思俺丝团c車內(nèi)的方向盤、擋風(fēng)玻璃、座椅靠背、車門等物體發(fā)生碰撞，極易造成對(duì)駕乘人員的傷害，甚至將駕乘者拋離座位或拋出車外。汽車安全帶的作用就是在車輛發(fā)生碰撞或使用緊急制動(dòng)時(shí)，將乘員牢牢地拴在座椅上，防止發(fā)生二次碰撞，起著約束乘員位移和緩沖作用，吸收撞擊能量，化解慣性力，避免或減輕駕乘人員受傷的程度。因此，針對(duì)汽車安全帶的研究成為人們熱議的話題。

1 安全帶使用現(xiàn)狀

目前市面上常用的汽車安全帶有三點(diǎn)式安全帶和四點(diǎn)式安全帶兩種。三點(diǎn)式安全帶主要配置于常規(guī)車輛上，用于普通出行，而四點(diǎn)式安全帶主要應(yīng)用在賽車上，滿足高速行駛車輛的安全需求。

1.1 三點(diǎn)式安全帶使用概況

三點(diǎn)式安全帶仍然是汽車中最重要的獨(dú)立安全裝置，它是應(yīng)用最為廣泛，最有深遠(yuǎn)意義的安全創(chuàng)新技術(shù)，該技術(shù)在減輕全世界千千萬萬交通事故的后果方面，它的貢獻(xiàn)是其它任何單一的安全方案都無法比擬的。行車中，坐在車內(nèi)的人體的移動(dòng)速度與車速相同，突然停車時(shí)，人體仍會(huì)以原有速度移動(dòng)，此時(shí)，安全帶能將原本作用于人體的介乎3000至5000公斤之間的沖力擋住。如今，這種安全帶已經(jīng)成為轎車標(biāo)準(zhǔn)配置的一部分。目前， 汽車上普遍使用的安全帶為改進(jìn)后的連續(xù)性三點(diǎn)式緊急鎖止式安全帶。

1.2 四點(diǎn)式安全帶使用概況

四點(diǎn)式安全帶主要應(yīng)用于賽車，現(xiàn)在一些制作廠商，比如沃爾沃，正嘗試將其應(yīng)用到微型轎車上。典型的四點(diǎn)式安全帶包括兩條豎向的吊帶，可以束住車內(nèi)乘員的胸腔，并在底部與橫向安全帶扣接。這種安全帶大都為雙肩式固定，加上橫在腰部的一根，很像日常旅游時(shí)背的雙肩式登山包。安全帶的長(zhǎng)短是事先根據(jù)車手坐在座椅上的尺寸調(diào)好的，基本上不再調(diào)節(jié)，也沒有預(yù)拉緊裝置。這種安全帶可以將撞擊力更均勻地分散掉，在車輛遭受翻滾或滑動(dòng)時(shí)，乘員不會(huì)因劇烈晃動(dòng)而產(chǎn)生位移繼而導(dǎo)致身體傷害；同時(shí)，乘員通過座椅與車身更加緊密的結(jié)合到一起，更能夠感受到車輛的動(dòng)態(tài)，即達(dá)到常說的“人車合一”的狀態(tài)，以便更有效地操控車輛。

2 組合型多點(diǎn)可變安全帶設(shè)計(jì)

通過分析兩種類型安全帶的優(yōu)缺點(diǎn)，本文致力于設(shè)計(jì)一種能夠很好地實(shí)現(xiàn)兩種安全帶相互銜接轉(zhuǎn)換的機(jī)構(gòu)，即組合型多點(diǎn)可變安全帶。

2.1 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)綜述

組合型多點(diǎn)可變安全帶的設(shè)計(jì)理念是通過在通用三點(diǎn)式安全帶的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加一個(gè)機(jī)械鎖裝置，實(shí)現(xiàn)了三點(diǎn)式安全帶與四點(diǎn)式安全帶的任意切換，從而達(dá)到了一款安全帶實(shí)現(xiàn)兩種形式安全帶功能的效果，使安全帶滿足了人體佩戴舒適性高、對(duì)人體的束縛能力強(qiáng)，對(duì)人體的安全保護(hù)作用好等的多重功能。

組合型多點(diǎn)式安全帶在設(shè)計(jì)上沿用通用三點(diǎn)式安全帶采用的標(biāo)準(zhǔn)GB14166-2003《道路車輛成年成員用安全帶和約束系統(tǒng)》，同時(shí)還滿足GB8410-1994《汽車內(nèi)飾材料的燃燒特性》的要求。

組合型多點(diǎn)可變安全帶在整體結(jié)構(gòu)布局上沿用了通用三點(diǎn)式安全帶包括座椅左下方的卷收器，卷收器內(nèi)的織帶一端穿過左上方的導(dǎo)向環(huán)回到卷收器中形成雙層可伸縮的織帶，外層織帶套合于與鎖扣配合的鎖舌，在佩戴時(shí)鎖舌固定于鎖扣上。

區(qū)別之處在于與鎖扣配合的固定鎖扣改裝為一個(gè)可鎖死的滑動(dòng)裝置，組成了組合型多點(diǎn)可變安全帶的核心創(chuàng)新部分：機(jī)械鎖裝置。通過機(jī)械鎖裝置的鎖死與開鎖狀態(tài)實(shí)現(xiàn)三點(diǎn)式和四點(diǎn)式安全帶兩種模式的切換。同時(shí)也增加了一條安全帶及一個(gè)安置在座椅右后方的卷收器，滿足實(shí)現(xiàn)四點(diǎn)式安全帶的結(jié)構(gòu)要求。

2.2 機(jī)械轉(zhuǎn)換裝置結(jié)構(gòu)

2.2.1 滑條

滑條采用工字鋼結(jié)構(gòu)，從而有效增強(qiáng)材料的剛度強(qiáng)度。豎直固定于座椅右下方，其中一側(cè)蓋板加工為雙側(cè)牙齒結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)與裝有扣鎖的滑塊的凹槽配合的功能。

2.2.2 滑塊

滑塊為凹型長(zhǎng)方體框架，采用槽鋼結(jié)構(gòu)。水平方向設(shè)有齒形滑槽，豎直方向布置有兩個(gè)圓孔。頂端為圓柱體，末端為長(zhǎng)方體形的按鈕從圓孔中穿過，兩個(gè)按鈕的末端分別與一個(gè)彈簧的兩端相連接，通過按動(dòng)按鈕實(shí)現(xiàn)滑塊沿滑槽的上下運(yùn)動(dòng)。同時(shí)當(dāng)切換為四點(diǎn)式安全帶時(shí)，滑塊將離開滑槽運(yùn)動(dòng)到人體前方，實(shí)現(xiàn)了四點(diǎn)式安全帶的功能。

2.2.3 機(jī)械鎖

機(jī)械鎖裝置設(shè)于滑塊的內(nèi)部，由滑塊內(nèi)框、按鈕、卡齒、傳動(dòng)桿及彈簧等幾個(gè)主要部分組成?；瑝K內(nèi)部有兩組兩兩配合的“L”型傳動(dòng)桿，每?jī)蓚€(gè)傳動(dòng)桿“L”型的長(zhǎng)臂中間用一個(gè)螺栓鉸連，使兩個(gè)桿交叉成“X”型，短臂垂直于框架平面。螺栓與小滑塊相連接，滑塊配合于框架內(nèi)部的滑槽，可沿滑槽橫向自由滑動(dòng)。每組兩個(gè)傳動(dòng)桿長(zhǎng)臂的頂端分別與兩個(gè)按鈕的末端鉸連。通過按動(dòng)按鈕調(diào)節(jié)彈簧實(shí)現(xiàn)機(jī)械鎖的位置變化，使機(jī)械鎖沿著滑條上下自由滑動(dòng)。

滑動(dòng)裝置可以沿著滑條上下自由滑動(dòng)，同時(shí)還可以依靠一個(gè)可變向齒式棘輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)在任意位置固定鎖住。所述的齒式棘輪機(jī)構(gòu)的棘輪齒安裝在滑條兩側(cè)。齒條形棘爪安裝在滑塊內(nèi)部，與“L”型傳動(dòng)桿的短臂相連接，使得棘爪可以在傳動(dòng)桿的帶動(dòng)下在滑塊內(nèi)部橫向移動(dòng)。

這種組合型多點(diǎn)可變安全帶還包括座椅后側(cè)右下方的卷收器，卷收器內(nèi)的織帶一端穿過座椅頭枕右側(cè)的導(dǎo)向環(huán)回到卷收器中形成雙層可伸縮的織帶，外層織帶套合于與滑條配合的滑塊裝置，當(dāng)滑塊離開滑槽時(shí)卷收器中的織帶將伸出，從而實(shí)現(xiàn)四點(diǎn)式安全帶結(jié)構(gòu)。

2.3 工作原理

汽車正常行駛時(shí)，采用三點(diǎn)式安全帶。滑塊裝置由于齒條形棘爪與棘輪齒的嚙合而固定在滑條上，將左側(cè)安全帶的鎖舌拉出，帶動(dòng)織帶克服彈簧回彈力向外伸出繞過人體，至右側(cè)扣在滑塊的鎖扣內(nèi)，即完成系帶。從而形成三點(diǎn)式安全帶。

調(diào)節(jié)鎖扣的位置時(shí)，同時(shí)按下機(jī)械鎖上下兩側(cè)的按鈕，使得彈簧壓縮。兩按鈕靠近，與之相鉸接的兩個(gè)傳動(dòng)桿之間的夾角隨之變小，兩個(gè)傳動(dòng)桿交叉處的小滑塊沿著滑槽向遠(yuǎn)離彈簧的方向滑動(dòng)。傳動(dòng)桿的短臂帶動(dòng)齒條形棘爪向遠(yuǎn)離彈簧的方向滑動(dòng)，帶動(dòng)齒條形棘爪與滑條的棘輪齒脫離嚙合，使滑塊可以沿著滑條在外力作用下上下自由滑動(dòng)。當(dāng)調(diào)節(jié)至合適位置的時(shí)候松開按鈕，兩個(gè)按鈕在彈簧彈力的作用下向外運(yùn)動(dòng)，兩按鈕之間距離增大，與之相鉸接的兩個(gè)傳動(dòng)桿之間的夾角隨之變大。傳動(dòng)桿交叉處的小滑塊沿著滑槽向靠近彈簧的方向滑動(dòng)，傳動(dòng)桿的短臂帶動(dòng)齒條形棘爪向靠近彈簧的方向滑動(dòng)，帶動(dòng)齒條形棘爪與滑條的棘輪齒重新進(jìn)入嚙合。從而可以使得滑塊在滑條上的位置固定，三點(diǎn)式安全帶正常使用?；瑝K的上下滑動(dòng)會(huì)改變左側(cè)安全帶在人體上的壓迫位置，人們可以根據(jù)自己體型自行調(diào)節(jié)至舒適位置。

汽車在高速行駛的時(shí)候，四點(diǎn)式安全帶對(duì)人體的約束更加牢固，在事故發(fā)生時(shí)對(duì)人的保護(hù)性能更強(qiáng)，其安全性大大提高，可以將三點(diǎn)式安全帶轉(zhuǎn)變成四點(diǎn)式安全帶。按下滑塊的按鈕，滑塊便可在滑條上自由滑動(dòng)，這時(shí)將滑塊向上拉，直至滑出滑條。與佩戴正常三點(diǎn)式安全帶類似，將右臂穿過右側(cè)安全帶，將機(jī)械鎖拉至身體正前方腹部偏上位置即可。

若需由四點(diǎn)式安全帶切換到三點(diǎn)式安全帶，只需按下機(jī)械鎖兩側(cè)按鈕將滑塊裝置插回至滑條，調(diào)節(jié)到合適位置，放開兩側(cè)按鈕，保證滑塊已安全鎖死。與此同時(shí)卷收器將直接收回右側(cè)安全帶，實(shí)現(xiàn)了三點(diǎn)式安全帶定位。

3 組合型多點(diǎn)可變安全帶結(jié)構(gòu)有限元分析

本文根據(jù)安全帶實(shí)際使用情況，并結(jié)合GB14166一93中的對(duì)安全帶性能的實(shí)驗(yàn)要求，使用有限單元方法對(duì)機(jī)械鎖的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及合理性進(jìn)行分析。在機(jī)械鎖結(jié)構(gòu)中，主要承受載荷的結(jié)構(gòu)是鎖舌，齒形滑條和滑塊。關(guān)于滑塊和齒條的受力，可以看作平面應(yīng)力問題，因此本文建立了該結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化的2維有限元模型，并進(jìn)行了分析計(jì)算。然后，為了得到結(jié)構(gòu)更加具體的受力情況，有建立了三維有限元模型并進(jìn)行計(jì)算。

3.1 滑塊與齒形滑條的二維有限元模型

取安全帶結(jié)構(gòu)的橫截面建立二維模型，使用ansys軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。將接觸的邊設(shè)定為接觸對(duì)，摩擦系數(shù)0.1。同時(shí)，將滑槽的下端面設(shè)定為固定約束。劃分網(wǎng)格后在側(cè)面施加載荷13500N。使用動(dòng)態(tài)加載的方法加載。經(jīng)過計(jì)算，得到了如圖所示的應(yīng)力分布云圖。

3.2 鎖身與齒槽的三維有限元模型

為了的到更精確的計(jì)算結(jié)果。我們又建立了更接近真實(shí)情況的三維有限元分析模型。我們首先建立安全帶受力構(gòu)件的三維模型。使用Ansys軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。劃分網(wǎng)格之后，分別得到各個(gè)零件的有限元模型，其中齒槽有節(jié)點(diǎn)12014個(gè)，單元7557個(gè)。鎖身有節(jié)點(diǎn)2601個(gè)，單元1210個(gè)。接觸面26對(duì)，定義摩擦系樹為0.1。使用動(dòng)力學(xué)分析方法對(duì)安全帶進(jìn)行受力分析。參考GB14167，在鎖扣處施加載荷13500N+10°使用動(dòng)態(tài)加載的方法，加載時(shí)間1s，然后卸載。經(jīng)過ansys有限元分析軟件運(yùn)行求解之后得到了如下結(jié)果：

表1 分析計(jì)算結(jié)果

最大應(yīng)力值 131.99MPa

最大位移量 9.8044e-005 m

計(jì)算迭代次數(shù) 26

3.3 結(jié)果分析

該結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力出現(xiàn)在滑槽與鎖接觸部位，危險(xiǎn)點(diǎn)主要來源為擠壓應(yīng)力和局部引力集中。該材料經(jīng)計(jì)算分析為合格。次鎖扣的受力結(jié)構(gòu)也比較合理。

同時(shí)，此模型還可以有以下改進(jìn)措施：

結(jié)合人機(jī)工程學(xué)的知識(shí)改進(jìn)外形，使其適應(yīng)人的手的形狀，使人操作時(shí)更加舒適。

改進(jìn)滑槽的形狀，符合等強(qiáng)度原則，使更加其節(jié)省材料，減輕重量，更加美觀。

改進(jìn)引力集中出的設(shè)計(jì)，提高其疲勞強(qiáng)度。

4 總結(jié)與展望

本文的重點(diǎn)內(nèi)容是組合型多點(diǎn)可變安全帶的設(shè)計(jì)研究。目前汽車安全帶在碰撞事故中對(duì)乘員的有效保護(hù)作用已得到了世界各國的公認(rèn)。組合型多點(diǎn)可變安全帶兼顧了三點(diǎn)式安全帶的舒適性，四點(diǎn)式安全帶的安全性，可在不同的運(yùn)行條件下充分發(fā)揮每種安全帶的作用。然而，本設(shè)計(jì)仍有很多細(xì)節(jié)還需要不斷的改進(jìn)和完善，項(xiàng)目的研究工作還需不斷地深化。本研究的結(jié)構(gòu)參數(shù)仍需優(yōu)化，還考慮安全帶延伸率、寬度，卷收器等相關(guān)參數(shù)設(shè)置；由于條件所限，本研究沒有進(jìn)行碰撞的試驗(yàn)研究。

總的來說，本文所研究的組合型多點(diǎn)可變安全帶在提高乘員的安全性、靈活性方面具有一定的參考價(jià)值，也具有一定的推廣實(shí)用價(jià)值，當(dāng)然其中還有很多不足，有待于其他研究人員在日后的工作和學(xué)習(xí)中繼續(xù)充實(shí)和完善。

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注：源自國家大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目 項(xiàng)目編號(hào)：201410613039