汽車安全帶卷收器失效形式分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

鄭 鑫， 杜 力， 楊 蓓

(1.重慶工商大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 重慶 400067； 2.重慶光大產(chǎn)業(yè)有限公司， 重慶 401120)

0 引 言

在汽車被動(dòng)安全技術(shù)中，汽車安全帶是減少人員傷亡和保護(hù)人避免受傷的最有效的裝置，也是保障駕駛員和乘員生命安全不可或缺的一部分。根據(jù)我國(guó)的交通事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，在汽車發(fā)生碰撞時(shí)，不系安全帶發(fā)生的死亡率比系安全帶發(fā)生的死亡率多出了40%及以上。因此可以得出汽車安全帶很好地保護(hù)了駕駛員和乘員的生命安全，很大程度上降低了對(duì)駕駛員和乘員在碰撞事故中的傷害[1-2]。

汽車安全帶是汽車被動(dòng)安全技術(shù)的重要組成部分。其中卷收器作為汽車安全帶中重要的部件，起著至關(guān)重要的作用，能控制織帶的長(zhǎng)短、卷收器鎖止的時(shí)間等，繼而影響人的安全性、舒適性和可靠性。

疏劍等[3]對(duì)緊急鎖止式安全帶卷收器的帶感鎖止機(jī)構(gòu)進(jìn)行了研究，結(jié)合運(yùn)動(dòng)學(xué)方程和非線性觸發(fā)鎖止特性，得出了鎖止機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，給出判斷鎖止結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)臨界點(diǎn)是否能達(dá)到鎖止。王秋鋒等[4]對(duì)汽車安全帶卷收器安裝于車身板塊做研究，通過(guò)有限元分析軟件，得出卷收器安裝在車身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，將其作為輔助驗(yàn)證，然后提出安全帶卷收器的安裝方式。Machens K等[5]對(duì)汽車安全帶卷收器的車感鎖止機(jī)構(gòu)做研究，通過(guò)實(shí)驗(yàn)儀器和數(shù)值模擬了噪聲，得出了鋼球、車感臂和配合間隙等對(duì)系統(tǒng)SPL的影響。Arsdell W等[6]對(duì)安全帶卷收器的保護(hù)系統(tǒng)有效性做研究，通過(guò)建模、實(shí)驗(yàn)測(cè)試和分析數(shù)據(jù)，得出在提高安全帶卷收器保護(hù)系統(tǒng)的有效性時(shí)，不可單獨(dú)測(cè)試負(fù)載限制器或預(yù)緊器，因其不可很好地表現(xiàn)出駕駛員保護(hù)系統(tǒng)的整體有效性，應(yīng)從系統(tǒng)整體性能評(píng)估保護(hù)系統(tǒng)的有效性。于文函等[7]對(duì)安全帶卷收器的車感機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了一種用于檢測(cè)車感性能的設(shè)備。綜上所述，目前安全帶技術(shù)研究主要針對(duì)安全帶的性能、安裝方式及結(jié)合物理和數(shù)學(xué)做理論層面的分析，對(duì)安全帶卷收器本身的應(yīng)力、強(qiáng)度和失效形式等研究很少，且在這方面的學(xué)術(shù)成果更少。

因此,通過(guò)研究安全帶卷收器的應(yīng)力、強(qiáng)度和失效形式，再結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，運(yùn)用有限元分析軟件，提出關(guān)于安全帶卷收器支架和芯軸的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。為以后汽車安全帶卷收器的設(shè)計(jì)及研發(fā)提供了參考，對(duì)被動(dòng)安全技術(shù)的發(fā)展具有重大意義。

1 復(fù)合緊急鎖止式汽車安全帶組成及工作原理

根據(jù)我國(guó)對(duì)汽車安全帶制定的標(biāo)準(zhǔn)GB14167-2013，要求汽車安全帶卷收器鎖止性能好、耐久好、抗拉強(qiáng)度優(yōu)和織帶卷收力在一定的范圍內(nèi)。綜上要求，目前在汽車上應(yīng)用的最多的卷收器是復(fù)合緊急鎖止式汽車安全帶卷收器。如圖1所示，復(fù)合緊急鎖止式汽車安全帶主要由卷收器總成、鎖舌、限位扣、織帶和帶頭組件等組成。具有拉出、自由回卷和緊急鎖止等功能，使佩戴者具有很好的安全性、舒適性和可靠性[8-10]。

圖1 復(fù)合緊急鎖止式汽車安全帶

當(dāng)汽車發(fā)生事故時(shí)，安全帶卷收器會(huì)將織帶收縮，使駕駛員或成員緊靠在座椅上，避免人的身體與汽車的其他地方觸碰造成“二次傷害”，從而減小了人員受傷的概率。其中安全帶卷收器起著至關(guān)重要的作用，就類似于人的心臟。復(fù)合緊急鎖止式汽車安全帶卷收器有兩種鎖止方式：車感鎖止式和帶感鎖止式。在這兩種方式的協(xié)同作用下，確保復(fù)合緊急鎖止式汽車安全帶卷收器在汽車發(fā)生事故時(shí)正常鎖止[11-13]。

1.1 帶感鎖止式

帶感鎖止機(jī)構(gòu)是當(dāng)織帶拉出的加速度達(dá)到或大于某一值時(shí)，安全帶卷收器的芯軸會(huì)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，從而防止織帶繼續(xù)拉出，將乘員牢靠的約束在座椅上，從而能保障駕駛員的生命安全。如圖2所示，安全帶卷收器帶感鎖止機(jī)構(gòu)主要由支架、芯軸、軸套、圓盤外齒、擺輪、棘爪和鎖止蓋等零件組成。其裝配原理是將支架安裝固定在車身上(與豎直方向有一定的角度)，然后鎖止蓋和盤簧組件用漲銷固定在支架上，芯軸的兩端與鎖止蓋、盤簧蓋形成間隙配合，使乘員拉出織帶時(shí)感覺(jué)到一種舒適性，圓盤外齒與芯軸接觸，軸套加以限制圓盤外齒，擺輪安裝在圓盤外齒上，并在一定的角度內(nèi)繞軸運(yùn)動(dòng)。

圖2 卷收器帶感結(jié)構(gòu)圖

帶感鎖止機(jī)構(gòu)的工作原理是：當(dāng)織帶被拉出時(shí)，從而帶動(dòng)芯軸轉(zhuǎn)動(dòng)(此時(shí)加速度較小)，與芯軸接觸的圓盤外齒跟隨轉(zhuǎn)動(dòng)，安裝在圓盤外齒上的擺輪也跟隨轉(zhuǎn)動(dòng)，但不會(huì)有太大的幅度，因?yàn)閿[輪與圓盤外齒間有一根伸縮彈簧，約束住擺輪的擺幅。隨著織帶拉出的速度越快，加速度達(dá)到某一值時(shí)，擺輪將克服彈簧力然后抬起，從而使擺輪的尖部與鎖止蓋內(nèi)側(cè)的齒嚙合，導(dǎo)致圓盤外齒卡死不能轉(zhuǎn)動(dòng)，芯軸繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，推動(dòng)棘爪與支架相嚙合直至芯軸停止轉(zhuǎn)動(dòng)，織帶拉不出，帶感鎖止功能完成。當(dāng)加速度減小，恢復(fù)到設(shè)定值得范圍內(nèi)，織帶繼續(xù)被拉出。

1.2 車感鎖止式

車感鎖止式是通過(guò)鋼球檢測(cè)車身的傾斜度和汽車在行駛中的減速度，從而控制安全帶的鎖止。如圖3所示，車感鎖止式機(jī)構(gòu)主要由車感底座、車感臂和鋼球組成，被支架和鎖止蓋固定，避免鎖止失效。

鋼球位于車感底座的槽內(nèi)，車感臂加以約束。當(dāng)汽車車身傾斜的角度或汽車在行駛中的減速度較小時(shí)，鋼球基本處于靜止?fàn)顟B(tài)，織帶可拉出；當(dāng)汽車車身傾斜的角度或汽車減速度超過(guò)一定值時(shí)，重力等會(huì)導(dǎo)致鋼球運(yùn)動(dòng)，從而將車感臂頂起，車感臂的臂尖會(huì)與圓盤外吃嚙合，卡住圓盤外齒轉(zhuǎn)動(dòng)，使得芯軸停止轉(zhuǎn)動(dòng)，織帶無(wú)法繼續(xù)拉出；當(dāng)汽車車身傾斜的角度或汽車減速度恢復(fù)到設(shè)定的范圍內(nèi)，鋼球回到槽內(nèi)，汽車安全帶未鎖止，織帶可拉出。

圖3 卷收器車感結(jié)構(gòu)圖

2 汽車安全帶卷收器失效形式分析

隨著汽車數(shù)量的增加，難免會(huì)存在一些安全帶失效的情況，這將會(huì)嚴(yán)重影響汽車的安全性能，從而影響人的生命安全。汽車安全帶失效指的是在一定的條件下，汽車安全帶不能完成既定的動(dòng)作和功能，導(dǎo)致零件出現(xiàn)破裂、斷裂和卡死等損壞現(xiàn)象。安全帶卷收器失效情況：織帶損壞、鎖舌損壞、帶頭組件損壞和卷收器總成損壞。其中卷收器損壞包括了帶感故障、車感故障、支架變形和芯軸斷裂。任何一種失效都可能造成嚴(yán)重的后果，因此通過(guò)對(duì)汽車安全帶卷收器失效形式的分析，得出其原因有助于改善產(chǎn)品的不足，從而提高汽車安全帶卷收器的性能。

通過(guò)汽車安全帶卷收器的動(dòng)態(tài)碰撞實(shí)驗(yàn)及實(shí)際情況，得出汽車安全帶卷收器失效形式主要是汽車安全帶卷收器帶感失效、汽車安全帶卷收器車感失效，汽車安全帶卷收器支架變形和汽車安全帶卷收器芯軸斷裂。其中帶感失效和車感失效主要由于安全帶卷收器處在非常惡劣的環(huán)境中工作，從而導(dǎo)致卷收器失效，汽車安全帶的織帶不能拉出。比如汽車安全帶卷收器在粉塵很大的情況下工作，使得粉塵容易進(jìn)入到卷收器內(nèi)部，從而導(dǎo)致卷收器內(nèi)部積粉，卡死圓盤外齒或車感組件等地方的零件，使得卷收器鎖止功能失效、安全性能等方面嚴(yán)重下降。

汽車安全帶卷收器支架變形和汽車安全帶卷收器芯軸斷裂常發(fā)生在汽車碰撞事故中。當(dāng)汽車發(fā)生碰撞事故時(shí)，駕駛員或乘坐人員會(huì)有一個(gè)向前傾的趨勢(shì)，織帶將被傾力帶動(dòng)拉出，同時(shí)在卷收器內(nèi)還形成剪切力。當(dāng)織帶拉出力過(guò)大，且剪切力大于芯軸自身承受的載荷，導(dǎo)致芯軸自身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足、抗拉強(qiáng)度不足，使得芯軸處會(huì)出現(xiàn)了斷裂、破裂等情況。

3 汽車安全帶卷收器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了減少汽車安全帶卷收器失效情況的發(fā)生和提高卷收器整體性能。將應(yīng)用HyperMesh對(duì)卷收器結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。然后根據(jù)有限元分析的結(jié)果，并結(jié)合工程實(shí)踐，對(duì)支架和芯軸的結(jié)構(gòu)提出改進(jìn)方案，從而提高汽車安全帶的穩(wěn)定性和安全性，如圖4所示，HyperMesh有限元分析軟件仿真分析流程。

3.1 支架的CAE分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)上述對(duì)安全帶卷收器失效形式分析得出的原因，再結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，可將安全帶卷收器模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，對(duì)支架、棘爪、鎖止蓋、芯軸和織帶等零件進(jìn)行HyperMesh有限元軟件分析。

圖4 HyperMesh仿真分析流程圖

首先建好模型導(dǎo)入HyperMesh，然后將Hyper Mesh選成Ls-Dyna模塊，并且后面選為Keyword971_R9.0，以便于計(jì)算。模型導(dǎo)入成功后，改變界面視圖，改為渲染模式(Visualization Options)和線條模式(Wireframe Geometry)，以便于觀察硬點(diǎn)、壓縮邊、T形邊、自由邊和共享邊等。由于硬點(diǎn)、自由邊等的存在會(huì)降低網(wǎng)格質(zhì)量，嚴(yán)重影響CAE分析的結(jié)果，因此要對(duì)自由邊、硬點(diǎn)等進(jìn)行幾何清理。

幾何清理包括刪除硬點(diǎn)、倒角、圓角、重合面，修復(fù)不連續(xù)的面和縫合多個(gè)自由邊等。主要是為了得到更好的幾何模型，為下一步劃分網(wǎng)格做好準(zhǔn)備。進(jìn)入編輯共享邊的界面，然后選Equivalence面板，選中圖形區(qū)中的實(shí)線共享邊直到變成虛線壓縮邊即可。

在主菜單進(jìn)入Defeature面板，選擇Pinholes子面板，在diameter輸入欄中輸入2，激活surfaces選擇all，單擊find，然后將小孔移除，此時(shí)移除的小孔會(huì)由硬點(diǎn)代替。消除移除孔時(shí)留下的硬點(diǎn)，在主面板點(diǎn)擊point edit，選擇Suppress子面板，然后選擇硬點(diǎn)，點(diǎn)擊remove將其移除；重合面、倒角、圓角等也在Defeature面板中操作。

幾何清理結(jié)束后，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，可以創(chuàng)造3個(gè)節(jié)點(diǎn)的三角形、4個(gè)節(jié)點(diǎn)的四邊形和6個(gè)節(jié)點(diǎn)的三角形等。其中網(wǎng)格采用2 mm殼單元、2 mm六面體單元、1 mm二階四面體單元，先將面網(wǎng)格畫好，面網(wǎng)格可以分布于體的表面用于生成3D網(wǎng)格。在主頁(yè)面選擇3D面板，進(jìn)入到Solidmap面板，選擇multi-solid子面板，選擇所有實(shí)體，將source shelles設(shè)置為mixed，在elem size輸入欄中輸入2，單擊Mesh，網(wǎng)格劃分完成。

為零件添加創(chuàng)建材料、屬性、邊界條件和載荷等。如表1零件材料參數(shù)所示，在Model Browser任務(wù)欄右鍵定義支架的材料、屬性等， Card Image選為MATL24，MATL24是一種能夠反映材料彈塑性力學(xué)特性的材料模型;Rho為材料密度，設(shè)為8e-09;E表示彈性模量，設(shè)為184 000；PR表示泊松比，設(shè)為0.3。定義屬性：在Model Browser任務(wù)欄右鍵，點(diǎn)擊Create選擇Property，定義實(shí)體，Card Image選為SectSld。然后將材料、屬性通過(guò)Components Browser賦予各個(gè)零件。定義接觸和約束：支架的接觸面、棘爪的接觸面、棘爪與芯軸采用Hinge副約束、織帶施加拉力15 KN等，摩擦系數(shù)在0.1～0.25選取。

表1 零件材料參數(shù)

定義卡片進(jìn)行仿真。選擇CONTROL_TERMINATION卡片、DATABASE_BINARY_D3PLOT卡片和DATABASE_OPTION卡片。分別定義計(jì)算終止時(shí)間、指定d3plot輸出和ASCII格式的輸出。再采用DYNA R11求解器求解，打開LS-DYNA軟件，在solvers菜單中選中Start LS-DYNA analysis并輸出結(jié)果到HyperView進(jìn)行后處理。

將分析結(jié)果導(dǎo)入進(jìn)HyperView后處理，如圖5所示，支架最大等效應(yīng)力為732.920 MPa，根據(jù)供應(yīng)商制定的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力為687.5 MPa，超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力45.42 MPa，因此支架有變形、壓潰或斷裂現(xiàn)象。支架兩側(cè)底部及支架與螺栓連接處的顏色較深，說(shuō)明顏色較深的地方應(yīng)力較大，此區(qū)域容易導(dǎo)致支架發(fā)生變形。使卷收器存在安全隱患，因此提出對(duì)支架進(jìn)行改進(jìn)。

根據(jù)HyperView后處理分析結(jié)果，再結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。支架是用于安裝在汽車上的重要零件，也是車感鎖止結(jié)構(gòu)、帶感鎖止結(jié)構(gòu)的重要載體，對(duì)卷收器的性能有重大影響。因此將對(duì)支架的局部結(jié)構(gòu)、尺寸、工藝和材料等進(jìn)行修改，從而改善卷收器整體的強(qiáng)度和剛度，提高卷收器的性能。

圖5 支架應(yīng)力圖

由于支架的形狀及尺寸，導(dǎo)致支架的制造工藝復(fù)雜，材料的切割量大，強(qiáng)度較低。因此為了提高支架的強(qiáng)度，并結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，采用添加加強(qiáng)筋的方式、改變加工工藝方面和對(duì)支架部分區(qū)域尺寸參數(shù)進(jìn)行修改。

對(duì)修改后的支架進(jìn)行CAE分析，分析結(jié)果如圖6所示。通過(guò)對(duì)比改進(jìn)前后的應(yīng)力圖發(fā)現(xiàn)支架最大等效應(yīng)力為637.533 MPa，比標(biāo)準(zhǔn)低且比改進(jìn)前的應(yīng)力低95.387 MPa，局部受力也減小。因此可以得出改進(jìn)后的支架的強(qiáng)度有所提升，從而大大地提高了安全帶卷收器的整體性能。

圖6 改進(jìn)后支架應(yīng)力圖

3.2 芯軸的CAE分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)上文對(duì)卷收器模型的CAE分析，在Hyper view后處理中輸出織帶在15 KN載荷時(shí)芯軸的應(yīng)力圖。由于芯軸是由動(dòng)軸和定軸組成的，因此單獨(dú)輸出動(dòng)軸的應(yīng)力圖和定軸的應(yīng)力圖,如圖7所示。

圖7 芯軸結(jié)構(gòu)圖

如圖8、圖9所示，動(dòng)軸內(nèi)部的最上面一條縫隙的左上角處出現(xiàn)了深色區(qū)域，且最大應(yīng)力為215.550 MPa，由于動(dòng)軸材料為YL112，根據(jù)供應(yīng)商提供的標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度值為232.8 MPa，抗拉強(qiáng)度在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，因此動(dòng)軸滿足性能要求。定軸在孔的外端位置形成大片深色區(qū)域，且最大應(yīng)力值為1 090.915 MPa,由于定軸的材料為MIN-17-4 PH，其標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度值為1 070 MPa，超出了20.915 MPa，因此安全帶卷收器芯軸有破壞風(fēng)險(xiǎn)，從而導(dǎo)致汽車整體安全性能下降。

圖8 動(dòng)軸應(yīng)力圖

圖9 定軸應(yīng)力圖

根據(jù)HyperView后處理分析結(jié)果，再結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)對(duì)定軸進(jìn)行修改，考慮到工藝制造與裝配、零件之間配合的間隙問(wèn)題，將對(duì)深色區(qū)域采取修改結(jié)構(gòu)的措施或局部增高。

對(duì)改進(jìn)后的定軸做CAE分析，分析步驟同上。如圖10所示，通過(guò)對(duì)比改進(jìn)前后的應(yīng)力圖發(fā)現(xiàn)定軸的最大等效應(yīng)力為866.014 MPa，比標(biāo)準(zhǔn)低且比改進(jìn)前的應(yīng)力低224.901 MPa，定軸整體受力較小，在應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，不易被破壞。因此可以得出改進(jìn)后的芯軸的強(qiáng)度有所提升，從而大大地提高了安全帶卷收器的整體性能。

圖10 改進(jìn)后的定軸

綜上得出，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，滿足安全帶卷收器的使用性能要求。為驗(yàn)證其實(shí)用性，將優(yōu)化后的零件做10套樣件，然后將樣件做動(dòng)態(tài)碰撞實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示10套樣件無(wú)一損壞。且在試驗(yàn)后拉安全帶卷收器織帶，織帶能正常拉出，且鎖止性能正常，說(shuō)明結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案具有可行性。

4 結(jié) 論

針對(duì)汽車安全帶卷收器失效的問(wèn)題，并根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)及工程實(shí)踐分析其失效的原因。然后以輕量化為目標(biāo)，通過(guò)HyperMesh對(duì)安全帶卷收器進(jìn)行了有限元分析，并提出了結(jié)構(gòu)優(yōu)化、改進(jìn)方案，對(duì)提高安全帶卷收器整體性能方面提供了參考依據(jù)。