正撞工況下動(dòng)態(tài)鎖舌性能研究和優(yōu)化方案

施志平，陳虹吉，周澄靖，潘志紅，鄧 強(qiáng)，邵為楠

（東風(fēng)汽車有限公司東風(fēng)日產(chǎn)乘用車公司技術(shù)中心，廣州 510800）

前言

安全帶是汽車被動(dòng)安全中最重要、最有效的乘員保護(hù)裝備之一［1］。隨著汽車行業(yè)的高速發(fā)展，安全帶領(lǐng)域的技術(shù)也日趨成熟，各生產(chǎn)商相繼推出前沿產(chǎn)品：主動(dòng)式安全帶、低摩擦導(dǎo)向環(huán)、動(dòng)態(tài)鎖舌和充氣式安全帶等［2-3］。其中，動(dòng)態(tài)鎖舌以高性價(jià)比的優(yōu)勢，迅速獲得各大主流OEM的認(rèn)可，其配置率逐年上升，在2019年達(dá)到了27%，如圖1所示。另外，根據(jù)C-NCAP評價(jià)規(guī)則和近年來各評價(jià)車型的失分表現(xiàn)，乘員的胸部保護(hù)依然是碰撞中乘員保護(hù)的重點(diǎn)［4］。動(dòng)態(tài)鎖舌作為旨在改善胸部保護(hù)的產(chǎn)品，研究其具體的性能表現(xiàn)具有重要意義。

目前，行業(yè)內(nèi)有少部分關(guān)于動(dòng)態(tài)鎖舌的研究文獻(xiàn)。其中，文獻(xiàn)［5］中公開了一種典型的動(dòng)態(tài)鎖舌，詳細(xì)說明了其構(gòu)造和工作原理，目前市面上大部分動(dòng)態(tài)鎖舌的構(gòu)造和工作原理均與其類似。文獻(xiàn)［6］中通過3種方法對動(dòng)態(tài)鎖舌的鎖止功能進(jìn)行建模仿真，對比分析了試驗(yàn)與仿真結(jié)果，得到精度最優(yōu)的一種方法，為動(dòng)態(tài)鎖舌仿真精度的提升提供了參考；文獻(xiàn)［7］中基于某車型，在調(diào)整安全帶限力和氣囊參數(shù)無法明顯減小胸壓量的前提下，使用動(dòng)態(tài)鎖舌成功優(yōu)化了胸部傷害值，但該文獻(xiàn)僅展示了試驗(yàn)結(jié)果，對于動(dòng)態(tài)鎖舌如何影響假人胸部傷害值，沒有展開詳細(xì)的分析。本文中在以上文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了進(jìn)一步的研究。

本文中通過臺(tái)車試驗(yàn)和LS-DYNA仿真軟件，量化正撞工況下動(dòng)態(tài)鎖舌對假人胸部壓縮量的影響，分析產(chǎn)生該影響的原因。同時(shí)，探究如何優(yōu)化動(dòng)態(tài)鎖舌的參數(shù)，以獲得更優(yōu)的約束性能。

圖1 動(dòng)態(tài)鎖舌配置率

1 安全帶總成和動(dòng)態(tài)鎖舌介紹

1.1 安全帶總成

根據(jù)法規(guī)要求，乘用車（M1類）前后排座椅均需配備三點(diǎn)式安全帶［8］。三點(diǎn)式安全帶主要由以下構(gòu)成件組成：卷收器Retractor、導(dǎo)向環(huán)Through ring、織帶（包括腰帶Lap belt和肩帶Diagonal belt）、鎖舌Tongue、帶扣Buckle和固定端片Anchorage bracket，如圖2所示。

圖2 三點(diǎn)式安全帶主要構(gòu)成件

圖3 織帶關(guān)鍵位置標(biāo)識(shí)

1.2 動(dòng)態(tài)鎖舌的結(jié)構(gòu)與原理

普通鎖舌由金屬本體和包膠組成［9］，安全帶織帶可在鎖舌本體上端的織帶貫穿孔內(nèi)自由滑動(dòng)，如圖4所示。

圖4 普通鎖舌構(gòu)成件示意圖

動(dòng)態(tài)鎖舌（dynamic lock tongue，DLT），其主要構(gòu)成件為鎖舌本體（含金屬本體和包膠）、鎖止凸輪、旋轉(zhuǎn)桿、回轉(zhuǎn)彈簧和飾蓋［5］，如圖5所示。動(dòng)態(tài)鎖舌與普通鎖舌的核心差異為：動(dòng)態(tài)鎖舌增加了鎖止凸輪。由于不同的鎖舌供應(yīng)商提供的解決方案存在差異，有的鎖舌沒有旋轉(zhuǎn)桿、回轉(zhuǎn)彈簧和飾蓋等部件。

圖5 動(dòng)態(tài)鎖舌構(gòu)成件示意圖

在動(dòng)態(tài)鎖舌初始位置，鎖止凸輪與鎖舌本體之間有一定間隙，保證織帶能夠自由穿過鎖舌本體上部的織帶貫穿孔。此時(shí)，織帶與動(dòng)態(tài)鎖舌的配合關(guān)系和織帶與普通鎖舌的配合關(guān)系相同，如圖6（a）所示。當(dāng)動(dòng)態(tài)鎖舌兩端的織帶存在正向力差時(shí)，即當(dāng)腰部織帶（B5處）載荷大于肩部織帶（B4處）載荷特定值時(shí)，鎖止凸輪順時(shí)針翻轉(zhuǎn)，凸輪尾部為鎖舌本體嚙合，壓住織帶，實(shí)現(xiàn)鎖止，如圖6（b）所示。

圖6 動(dòng)態(tài)鎖舌狀態(tài)

碰撞發(fā)生時(shí)，假人前移，織帶在鎖舌貫穿孔內(nèi)滑動(dòng)，鎖舌兩端的織帶力差（B5-B4處）不斷上升，當(dāng)該力差達(dá)到鎖舌鎖止觸發(fā)條件時(shí)，動(dòng)態(tài)鎖舌作動(dòng)，實(shí)現(xiàn)織帶鎖止，理想情況下此階段織帶無滑移。最后，由于織帶、鎖止凸輪和鎖舌本體接觸面的物理性質(zhì)限制，鎖止力存在一個(gè)極限值；當(dāng)力差超出這個(gè)極限值時(shí)，織帶可能存在第2次滑移的現(xiàn)象，某一例動(dòng)態(tài)鎖舌工作的F-S曲線如圖7所示。

圖7 動(dòng)態(tài)鎖舌的工作F-S曲線

2 動(dòng)態(tài)鎖舌對胸部傷害值影響理論分析

2.1 胸部評價(jià)方式和受力模型

根據(jù)2018版C-NCAP評價(jià)規(guī)則［4］，完全正面碰撞試驗(yàn)中假人胸部的評價(jià)指標(biāo)主要考察胸部壓縮量（chest deflection）和胸部黏性指數(shù)VC（viscosity criterion）。在實(shí)際試驗(yàn)的過程中，胸部壓縮量是一項(xiàng)容易失分的指標(biāo)。因此，以下對胸部傷害值的討論主要集中討論假人的胸部壓縮量。

在正面碰撞過程中，假人胸部的受力過程變化較為復(fù)雜，它除了受到安全帶拉力外，還受到頭部與下軀干所施加的約束和安全氣囊與轉(zhuǎn)向盤等所施加的外力，以及肋骨彈性變形產(chǎn)生的力。同時(shí)，各個(gè)力基本都有各自的空間坐標(biāo)系，在列式過程中需要較復(fù)雜的空間轉(zhuǎn)換［10］?？紤]在正撞工況下，胸部重點(diǎn)考察X向的影響，而對X向有影響的力主要是安全帶肩帶力、安全氣囊和轉(zhuǎn)向盤等前方物體施加的力，所以簡化的假人胸部的受力模型如圖8所示。

回到村路上，沒買到米的牛皮糖步子越走越慢。眼皮耷拉著，目光不離腳尖，尋著路走，好像丟了錢?？纯醋叩阶约业陌硕非鹋?，牛皮糖忽然中了邪，眼睛一亮，手舞足蹈起來。后來就跨過那條兩尺高的田埂，跳到了八斗大田中，蹲了下來。五月的大田里空空蕩蕩，零星的苜蓿花瘦弱地開放著。這里那里的硬土上開著坼，像無數(shù)條螞蝗巴在飽經(jīng)滄桑的皮膚上。一條污漬斑斑的水溝，從猴頭嶺上的工業(yè)園下來，巨蟒一般越過八斗丘，拐進(jìn)旁邊一條水渠，扭向洞庭湖。牛皮糖從不抽煙，他蹲在那里沒有事干，就只是專注地盯著那條溝，一動(dòng)不動(dòng)，把一種心事涂抹在迷蒙的田野上，很久。

圖8 假人胸部受力模型

假人胸部壓縮量D與所受合力F合可表示為

式中：F合為胸部所受正向壓力，N；FB3為安全帶肩帶B3側(cè)載荷，N；FB4為安全帶肩帶B4側(cè)載荷，N；FAB為氣囊作用于假人胸部的載荷，N；∠a為FB3與F合夾角，（°）；∠b為FAB與F合夾角，（°）；∠c為FB4與F合夾角，（°）；k為假人胸部彈性系數(shù)。

圖9 胸壓量和安全帶力的時(shí)間歷程

2.2 動(dòng)態(tài)鎖舌對胸部產(chǎn)生影響的機(jī)理分析

圖9為按照C-NCAP要求實(shí)施的完全正面碰撞試驗(yàn)工況下，主駕配置普通鎖舌的假人胸部壓縮量和安全帶力（肩帶上部力FB3、肩帶下部力FB4和腰帶力）的時(shí)間歷程。

圖中，①為預(yù)緊階段，②為限力階段。在整個(gè)碰撞過程中，肩帶力FB4與腰帶力的變化趨勢基本重合，這是由于在鎖舌處，肩帶和腰帶存在滑動(dòng)，兩者間的力傳遞僅受到動(dòng)摩擦力的影響，故出現(xiàn)同步變化的趨勢。另外，根據(jù)該處織帶滑動(dòng)的摩擦痕跡和肩帶與腰帶力值的大小，可以判斷FB4上漲是由腰帶力的傳遞引起。同時(shí)，由圖可知，從40 ms開始，安全帶限力開始起作用，F(xiàn)B3基本維持不變，而FB4繼續(xù)上升。在限力初期，腦部壓縮量也繼續(xù)增加，此時(shí)假人胸部未與氣囊接觸，主要受安全帶力影響，說明此階段假人胸部壓縮量主要受FB4力的影響?？梢?，降低胸部壓縮量可從根本上抑制FB4力的增加，最直接的方法是切斷腰帶與肩帶FB4處的力傳遞。

結(jié)合1.2節(jié)中所述，動(dòng)態(tài)鎖舌作動(dòng)后，鎖止凸輪和鎖舌鎖止處的受力模型如圖10所示。

圖10 動(dòng)態(tài)鎖舌受力模型

根據(jù)杠桿原理，鎖止凸輪的受力可表示為

式中：l1為腰帶力對應(yīng)的力臂，m；N為凸輪施加的正壓力，N；l2為正壓力對應(yīng)的力臂，m。

鎖舌鎖止處各力的關(guān)系可表示為

目前行業(yè)內(nèi)安全帶織帶的材料均為滌綸，其與樹脂摩擦因數(shù)μ約為0.3～0.5［11］。在設(shè)計(jì)中，為使鎖舌能實(shí)現(xiàn)正常自鎖，須保證μ1，因此可得

即在織帶和鎖舌的物性范圍內(nèi)，其摩擦力大于腰帶力F腰帶力，可防止肩帶向腰帶滑動(dòng)，從而切斷兩者間的力傳遞，抑制B4處肩帶力的上漲，改善胸部的受力情況和胸壓量。

3 動(dòng)態(tài)鎖舌對胸部傷害值影響試驗(yàn)驗(yàn)證

結(jié)合上面的分析，通過臺(tái)車實(shí)車試驗(yàn)，驗(yàn)證動(dòng)態(tài)鎖舌對胸部傷害值影響的機(jī)理，分析動(dòng)態(tài)鎖舌對假人姿態(tài)和胸部壓縮量的具體影響。

3.1 試驗(yàn)設(shè)置

本文中基于某SUV車型，采用控制單一變量法，在相同工況下，進(jìn)行50FLP-副駕駛席動(dòng)態(tài)鎖舌正撞臺(tái)車試驗(yàn)。CASE1為試驗(yàn)對照組，安裝普通鎖舌；CASE2安裝動(dòng)態(tài)鎖舌，其余設(shè)置與CASE1相同。試驗(yàn)具體條件如表1所示。

表1 正撞臺(tái)車實(shí)車試驗(yàn)設(shè)置

試驗(yàn)前后假人的狀態(tài)如圖11所示。

圖11 試驗(yàn)前后狀態(tài)

3.2 動(dòng)態(tài)鎖舌對安全帶力的影響

試驗(yàn)結(jié)果如圖12和圖13所示，其中圖12為安全帶B3處肩帶力曲線，圖13為腰帶力和B4處肩帶力曲線。

從圖12可知，在動(dòng)態(tài)鎖舌和普通鎖舌工況下，B3處的肩帶力無明顯差異，說明動(dòng)態(tài)鎖舌對該力影響較小，因?yàn)樵摿χ抵饕上蘖U規(guī)格決定。從圖13可知，在40～55 ms之間，為限力初始階段，由于卷收器內(nèi)部傳動(dòng)方式轉(zhuǎn)換和限力桿的特性，此時(shí)肩帶力載荷曲線一般都會(huì)呈現(xiàn)沖高→回落→平穩(wěn)的趨勢，同

時(shí)此階段腰帶力從小于肩帶力的狀態(tài)逐步上升，轉(zhuǎn)化為大于肩帶力的狀態(tài)，兩者間力差不斷增大。55 ms左右，B4處肩帶力發(fā)生明顯的變化。對于普通鎖舌，B4處肩帶力開始進(jìn)入上升趨勢，且上升趨勢與腰帶力相同，說明此時(shí)B4處肩帶力上升主要由腰帶力引起；而55 ms之后動(dòng)態(tài)鎖舌的B4處肩帶力開始下降，說明動(dòng)態(tài)鎖舌在此時(shí)實(shí)現(xiàn)了鎖止。同時(shí)，動(dòng)態(tài)鎖舌的腰帶力峰值明顯高于普通鎖舌，這與前文所述的理論分析吻合，驗(yàn)證了理論分析與試驗(yàn)的一致性較好，說明動(dòng)態(tài)鎖舌能有效降低B4處肩帶力。

圖12 B3處肩帶力對比

圖13 B4肩帶力與腰帶力對比

3.3 動(dòng)態(tài)鎖舌對胸部壓縮量的影響

試驗(yàn)得到的假人胸部壓縮量曲線如圖14所示。由圖可知，在整個(gè)過程中，胸壓量有2個(gè)峰值，第1個(gè)峰值主要由安全帶力引起，第2個(gè)峰值由氣囊反力引起。由于肩帶力FB4的下降，有效降低了第1個(gè)峰值，改善了胸部壓縮量2.35 mm。另外，由此也可知，后續(xù)若要繼續(xù)改善胸壓量，只能通過減小氣囊反力來實(shí)現(xiàn)。

綜上，結(jié)合理論分析與實(shí)車試驗(yàn)可知，動(dòng)態(tài)鎖舌在正面碰撞中，能有效降低B4處肩帶力，改善假人胸部壓縮量，降低假人的胸部傷害值。

圖14 胸壓量對比

4 動(dòng)態(tài)鎖舌單品設(shè)計(jì)的優(yōu)化

上面說明了動(dòng)態(tài)鎖舌在臺(tái)車上的約束性能，它能有效改善假人的胸部傷害值。下面主要研究從單品層面如何更好地設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)鎖舌的各參數(shù)。本文中定義響應(yīng)時(shí)間和響應(yīng)保持力2個(gè)參數(shù)。響應(yīng)時(shí)間是指從發(fā)生碰撞時(shí)刻開始到織帶被完全鎖止的總時(shí)間；響應(yīng)保持力是指織帶從鎖止到再次滑移時(shí)所須突破的力差極限值。

以下研究使用單一變量控制法，分別調(diào)整響應(yīng)時(shí)間和響應(yīng)保持力，結(jié)合LS-DYNA仿真，定性分析每一個(gè)變量對假人胸部傷害值的影響。

（1）響應(yīng)時(shí)間的優(yōu)化

響應(yīng)時(shí)間體現(xiàn)了鎖舌實(shí)現(xiàn)自鎖響應(yīng)的靈敏度。仿真時(shí)首先使用普通鎖舌進(jìn)行仿真，獲得B5腰帶力大于B4肩帶力的時(shí)間，約在碰撞發(fā)生50 ms時(shí)刻。因此，設(shè)定變量進(jìn)行仿真時(shí)，鎖舌鎖止時(shí)間應(yīng)大于50 ms。取響應(yīng)時(shí)間T為60、65和70 ms 3種工況對50FLP-副駕駛席進(jìn)行仿真，通過胸壓量來衡量響應(yīng)時(shí)間對動(dòng)態(tài)鎖舌約束性能的影響。仿真條件如表2所示。

表2 正撞臺(tái)車仿真設(shè)置（響應(yīng)時(shí)間）

仿真結(jié)果如圖15所示。由圖可見，在一定條件下，響應(yīng)時(shí)間越短，動(dòng)態(tài)鎖舌能越早緩解B4處肩帶力的上漲，假人胸部壓縮量越小，動(dòng)態(tài)鎖舌的約束性能越好。

（2）響應(yīng)保持力的優(yōu)化

圖15 響應(yīng)時(shí)間對胸壓量的影響

響應(yīng)保持力體現(xiàn)了鎖舌維持自鎖響應(yīng)的能力。仿真時(shí)首先設(shè)定織帶與鎖舌的靜摩擦力為無窮大，獲得在碰撞過程中肩帶力與腰帶力的最大力差值約為6 kN，因此，設(shè)定變量進(jìn)行仿真時(shí)，響應(yīng)保持力應(yīng)小于6 kN。取響應(yīng)保持力F為3、4和5 kN 3種工況進(jìn)行仿真，通過胸壓量來衡量響應(yīng)保持力對動(dòng)態(tài)鎖舌約束性能的影響。仿真條件如表3所示。

表3 正撞臺(tái)車仿真設(shè)置（響應(yīng)保持力）

仿真結(jié)果如圖16所示。由圖可見，在一定條件下，響應(yīng)保持力越大，動(dòng)態(tài)鎖舌能更穩(wěn)定地維持自鎖狀態(tài)，假人胸部壓縮量越小，動(dòng)態(tài)鎖舌的約束性能越好。

圖16 響應(yīng)保持力對胸壓量的影響

綜上，對于影響動(dòng)態(tài)鎖舌鎖止性能的兩個(gè)參數(shù)，響應(yīng)時(shí)間越短，動(dòng)態(tài)鎖舌約束效果越好，響應(yīng)保持力越大，自鎖式鎖舌約束效果越好。以上的分析僅為初步的定性分析，后續(xù)將進(jìn)行更為全面和具體的定量分析。

5 結(jié)論

本文中通過理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，對正撞工況下動(dòng)態(tài)鎖舌對假人胸部壓縮量的影響及其單品性能優(yōu)化方案進(jìn)行研究，量化了其對安全帶力和胸部壓縮量的影響，得出如下主要結(jié)論：

（1）動(dòng)態(tài)鎖舌能有效切斷腰帶向肩帶的力傳遞，使B4處肩帶力下降，從而降低假人胸部綜合載荷，改善其胸壓量；

（2）在本文試驗(yàn)條件下，動(dòng)態(tài)鎖舌在55 ms時(shí)實(shí)現(xiàn)鎖止，有效降低B4處肩帶力約1 kN，改善了假人胸壓量2.35 mm；

（3）通過縮短動(dòng)態(tài)鎖舌響應(yīng)時(shí)間，提高動(dòng)態(tài)鎖舌鎖止保持力，能有效提升動(dòng)態(tài)鎖舌單品性能，使其發(fā)揮更優(yōu)的整車約束性能。

本文的研究為動(dòng)態(tài)鎖舌約束性能優(yōu)化和實(shí)際應(yīng)用具有一定的參考意義，但本文中對動(dòng)態(tài)鎖舌單品優(yōu)化的研究還處于仿真分析階段，后續(xù)應(yīng)結(jié)合臺(tái)車試驗(yàn)進(jìn)行更深入的研究。