汽車(chē)安全帶鋼絲插鎖與鋼板插鎖約束分析

高峰　劉雪姣　劉昕耀　韓嘯

摘 要：提升安全帶約束性能是安全帶行業(yè)重點(diǎn)關(guān)注問(wèn)題，構(gòu)建完善的約束系統(tǒng)對(duì)乘員保護(hù)具有重要的研究?jī)r(jià)值。插鎖作為汽車(chē)安全帶重要組成部分，是系統(tǒng)優(yōu)化研究的熱點(diǎn)之一。柔性鋼絲插鎖和剛性鋼板插鎖是最常見(jiàn)的安全帶插鎖類(lèi)型，文章通過(guò)仿真方式驗(yàn)證鋼絲插鎖和鋼板插鎖在碰撞過(guò)程中的表現(xiàn)，得出在滑臺(tái)碰撞過(guò)程中柔性插鎖與剛性插鎖的約束效果不同，鋼絲插鎖對(duì)乘員約束性能更好，為優(yōu)化被動(dòng)安全約束系統(tǒng)提供更多選擇性。

關(guān)鍵詞：安全帶 鋼絲插鎖 鋼板插鎖 約束分析

1 前言

安全帶作為汽車(chē)碰撞過(guò)程中重要的保護(hù)裝置之一，在汽車(chē)的約束系統(tǒng)中發(fā)揮著極為重要的作用[1]。其無(wú)論是卷收器、插鎖、端片等固定點(diǎn)的位置均有多種多樣的形式。國(guó)外相關(guān)學(xué)者與工程人士針對(duì)卷收器的研究較為完善[2]，針對(duì)插鎖的研究卻較為缺乏。插鎖作為安全帶腰帶部分約束的重要組成部分，具有很重要的研究?jī)r(jià)值。

常見(jiàn)的插鎖形式如圖1所示。目前乘用汽車(chē)前排常見(jiàn)插鎖類(lèi)型為鋼絲插鎖和鋼板插鎖，后排常見(jiàn)為鋼板插鎖和織帶插鎖。鋼板插鎖稱(chēng)為剛性插鎖，鋼絲插鎖和織帶插鎖稱(chēng)為柔性插鎖。在佩戴過(guò)程中，剛性插鎖由于支架為鋼板結(jié)構(gòu)，其與假人貼合性較差，而在碰撞過(guò)程中，剛性插鎖的鋼板支架會(huì)產(chǎn)生變形貼合假人。柔性插鎖其支架為鋼絲或者織帶，其在佩戴過(guò)程和碰撞過(guò)程中，假人貼合性均較好。插鎖貼合性與約束效果之間的關(guān)系研究正是本文的主要內(nèi)容。

安全帶動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，以假人作為安全帶的加載體，通過(guò)滑車(chē)模擬碰撞試驗(yàn)裝置進(jìn)行[3]。本文通過(guò)仿真搭建滑車(chē)模型，驗(yàn)證柔性鋼絲插鎖與剛性鋼板插鎖在碰撞過(guò)程中對(duì)假人的約束差異，對(duì)比安全帶力值表現(xiàn)、預(yù)緊距離、假人前移量以及假人胸壓的差異，進(jìn)而分析兩種插鎖的約束效果差異。

2 安全帶仿真模型搭建

仿真模型使用實(shí)車(chē)座椅，Hybrid III型第50百分位男性假人進(jìn)行仿真模擬。采用國(guó)標(biāo)GB14166-2013中50km/h碰撞波形，卷收器點(diǎn)火時(shí)間設(shè)置為10ms。

按照國(guó)標(biāo)GB14166-2013標(biāo)準(zhǔn)要求圖2所示位置，T點(diǎn)為軀干參考點(diǎn)，用以評(píng)估假人胸部前移量，P點(diǎn)為骨盆參考點(diǎn)，用以評(píng)估假人骨盆前移量。在仿真模型中測(cè)量假人的胸部前移量和骨盆前移量，判定假人運(yùn)動(dòng)情況。

仿真模型設(shè)置，除鋼絲插鎖與鋼板插鎖差異外，其他設(shè)置均相同，且鋼絲插鎖長(zhǎng)度與鋼板插鎖長(zhǎng)度基本相同，進(jìn)而更加準(zhǔn)確的直觀的對(duì)比柔性插鎖與剛性插鎖對(duì)假人約束的差異。

由于柔性插鎖和剛性插鎖在初始布置過(guò)程中本身存在的差異，我們?cè)谀Ｐ统跏疾贾弥袑摻z插鎖鎖頭貼近假人，鋼板支架布置后與假人存在一定距離。與實(shí)際產(chǎn)品安裝后表現(xiàn)一致。

3 不同插鎖仿真結(jié)果對(duì)比

3.1 安全帶力值表現(xiàn)

柔性鋼絲支架曲線用Flexible表示，剛性鋼板支架曲線用Rigid表示。通過(guò)仿真運(yùn)算，調(diào)取相應(yīng)的仿真結(jié)果，查看安全帶卷收器力值B1、肩帶力值B3和卷收器預(yù)緊距離，如圖5所示。

由卷收器力值和肩帶力值曲線可以看出，13ms預(yù)緊開(kāi)始后，鋼板插鎖相比于鋼絲插鎖的預(yù)緊力值更低，預(yù)緊后跌落更大，鋼絲插鎖限力上升提前。對(duì)比預(yù)緊距離可以看出，鋼板插鎖預(yù)緊距離更大。

預(yù)緊存在差距的原因是鋼絲插鎖的鎖舌比較貼合假人，鋼板插鎖的鎖舌與假人存在一定距離，預(yù)緊過(guò)程中，鋼板支架變形貼合假人，所以鋼板支架預(yù)緊距離大，預(yù)緊力值比較低。鋼絲支架由于與假人之間的間隙較小，所以預(yù)緊力值大，預(yù)緊距離小。

通過(guò)仿真運(yùn)算，調(diào)取相應(yīng)的仿真結(jié)果，查看安全帶插鎖力值B4、腰帶力值B6，如圖6所示。

由插鎖力值和腰帶力值曲線可以看出，鋼絲插鎖的插鎖力值B4和腰帶力值B6峰值位置較鋼板插鎖提前。原因是鋼絲插鎖初期更加貼合假人整體對(duì)于骨盆的約束效果更好。而相比較鋼板插鎖模型中，插鎖力值B4低，而腰帶力值B6高，查看動(dòng)畫(huà)看出，鋼板插鎖模型假人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象，假人繞Z軸出現(xiàn)向右方向的旋轉(zhuǎn)，這是導(dǎo)致力值差異的主要原因。

因此可以得出鋼板插鎖和鋼絲插鎖會(huì)影響假人的整體運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，通過(guò)力值表現(xiàn)判定鋼絲插鎖對(duì)于假人的約束效果更好。

3.2 假人位移量表現(xiàn)

通過(guò)對(duì)比假人胸部前移量和骨盆前移量，查看對(duì)比假人的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，用作判定鋼板插鎖和鋼絲插鎖對(duì)假人的約束差異。按照?qǐng)D2所示參考點(diǎn)位置，調(diào)取胸部前移量和骨盆前移量曲線如下：

通過(guò)對(duì)鋼絲插鎖和鋼板插鎖兩種工況，胸部和骨盆前移量數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，無(wú)論是胸部前移量還是骨盆前移量，在整個(gè)動(dòng)態(tài)碰撞過(guò)程中，鋼板插鎖的前移量均大于鋼絲插鎖的前移量。

前移量是約束效果的重要衡量因素之一，在60ms最大骨盆前移量時(shí)刻，鋼板插鎖骨盆前移量大于鋼絲插鎖前移量將近31mm。由此可以得出，鋼絲插鎖的約束效果明顯高于鋼板插鎖。

3.3 假人胸部壓縮量表現(xiàn)

調(diào)取假人胸部壓縮量曲線對(duì)比，結(jié)果如下：

圖8中顯示，使用鋼絲插鎖的安全帶約束提前，其前期胸壓較鋼板插鎖高一些，60ms以后胸壓基本維持在33mm左右，相比鋼板插鎖胸壓有所下降。

由于胸壓的表現(xiàn)取決于系統(tǒng)約束效果，而且跟波形，點(diǎn)火時(shí)間都有一定的關(guān)系，因此對(duì)于鋼絲插鎖和鋼板插鎖對(duì)于胸壓的影響，鋼絲插鎖并非一定會(huì)改善胸壓。

因此，通過(guò)更改波形和點(diǎn)火再次進(jìn)行模型驗(yàn)證，其安全帶力值表現(xiàn)、假人前移量結(jié)果均與國(guó)標(biāo)波形結(jié)果一致，而胸部壓縮量結(jié)果如下：

之前驗(yàn)證的國(guó)標(biāo)波形能量集中在前期80ms之前，因此設(shè)置新波形挑選能量分布時(shí)間較長(zhǎng)，能量相對(duì)低一些，驗(yàn)證結(jié)果看出，與國(guó)標(biāo)波形結(jié)果相反，新波形驗(yàn)證鋼絲支架胸壓更高一些。

鋼絲插鎖和鋼板插鎖對(duì)于胸部壓縮量的影響，單純使用安全帶工況驗(yàn)證并無(wú)法完全代表系統(tǒng)表現(xiàn)。由于鋼絲支架前期貼合假人，因此鋼絲插鎖工況在前期假人的胸壓通常高于鋼板插鎖，而在后期是否能改善胸部壓縮量，并不是肯定的，需要進(jìn)行系統(tǒng)匹配。如假人胸壓峰值出現(xiàn)在假人砸向氣囊的時(shí)間內(nèi)，鋼絲插鎖有較好的約束效果，對(duì)于假人前傾會(huì)有改善，在特定情況下是可以達(dá)到胸壓改善的效果。

安全帶的約束性需要考慮多方面的因素，約束性好的安全帶有時(shí)會(huì)導(dǎo)致胸壓升高，例如高扭力桿的安全帶同等情況下胸壓會(huì)更高，因此對(duì)于約束性能的研究是需要在整車(chē)安全系統(tǒng)中優(yōu)化的，根據(jù)車(chē)型不同，其需要的約束程度也不同。

較好的約束在系統(tǒng)匹配中更容易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化的目的。乘員位移量減少，乘員和儀表板等內(nèi)飾之間的距離增多[4]，因此可以在原限力值基礎(chǔ)上，降低限力等級(jí)，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化的目的，為系統(tǒng)優(yōu)化提供更多選擇性。

4 結(jié)論

本文對(duì)比鋼絲插鎖與鋼板插鎖在仿真滑臺(tái)中的系統(tǒng)表現(xiàn)差異，關(guān)注內(nèi)容包括安全帶力值，預(yù)緊距離，假人前移量以及胸部壓縮量。得出以下結(jié)論：

（1）鋼板插鎖與假人間隙量大，通過(guò)卷收器力值B1和肩帶力值B3可以看出，鋼板插鎖預(yù)緊力值更低，預(yù)緊量更大，腰部力值B4和B6峰值均延后，力值對(duì)比表明鋼絲插鎖約束效果比鋼板插鎖更好。

（2）通過(guò)對(duì)比骨盆前移量和胸部前移量，鋼絲插鎖前移量整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程均小于鋼板插鎖前移量，可以得出鋼絲插鎖對(duì)胸部和骨盆的約束效果明顯高于鋼板插鎖。

（3）鋼絲插鎖和鋼板插鎖對(duì)于胸壓的影響，要綜合考慮整個(gè)系統(tǒng)的表現(xiàn)。車(chē)身環(huán)境，碰撞波形，點(diǎn)火時(shí)間等因素都會(huì)導(dǎo)致胸壓的差異。鋼絲插鎖的約束性更高，為系統(tǒng)匹配提供更多可優(yōu)化設(shè)計(jì)的選擇性，對(duì)空間較小的車(chē)型系統(tǒng)匹配更加有利。

安全帶的存在本身就是一種對(duì)乘員的約束，在保證人身安全基礎(chǔ)上，提升安全帶的約束性能一直是安全帶行業(yè)追求的目標(biāo)。常見(jiàn)的預(yù)緊產(chǎn)品，鎖止鎖舌等目的都是提升對(duì)假人的約束效果，而本文提出的鋼絲插鎖約束效果高于鋼板插鎖，為提高系統(tǒng)約束提供又一種可供選擇的方案，為被動(dòng)安全系統(tǒng)匹配提供更多新形式的選擇。

參考文獻(xiàn)：

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