汽車前排安全帶回收緩慢問題分析及優(yōu)化研究

郭 飛，黃塞君，張愛民

（1.廣州汽車集團(tuán)股份有限公司 汽車工程研究院，廣州 511434；2.武警第一機(jī)動(dòng)總隊(duì)直升機(jī)支隊(duì)，山西晉中 030600）

0 引言

汽車安全帶作為汽車必備裝置，旨在汽車發(fā)生碰撞時(shí)約束乘員降低乘員傷亡［1－4］。前排安全帶由卷收器、導(dǎo)向環(huán)、織帶、鎖舌、織帶下固定點(diǎn)、插扣鎖組成，常布置在乘員艙B柱區(qū)域內(nèi)，如圖1所示。乘員佩戴安全帶時(shí)，將鎖舌插入在插扣鎖內(nèi)，織帶分成兩段，構(gòu)成三點(diǎn)式安全帶。乘員解開鎖舌后，織帶依靠卷收器的回卷力，自動(dòng)回收，回到靜止?fàn)顟B(tài)。

圖1 汽車安全帶

在安全帶實(shí)際使用過程中，常遇見乘員解開安全帶后，織帶回收緩慢，甚至無法回收的情況，尤其在冬天或者安全帶織帶出現(xiàn)污漬的時(shí)候。該現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致安全帶織帶堆積或損壞其他零件，引起客戶抱怨［5－6］。同時(shí)隨著消費(fèi)升級(jí)，消費(fèi)者對(duì)安全帶的舒適性要求越來越高，安全帶能否正?；厥帐前踩珟孢m性的重要指標(biāo)之一。因此安全帶能否正?；厥?，以及回收快慢也成為衡量安全帶品質(zhì)的重要參數(shù)，也是客戶用車時(shí)可感知的體驗(yàn)，因此成為乘用車安全帶項(xiàng)目開發(fā)重要指標(biāo)［7－8］。為此，本文從問題現(xiàn)象入手，深入分析該問題的力學(xué)關(guān)系。并依照FTA分析方法工具，研究影響織帶回收緩慢的兩大原因及其特點(diǎn)，如卷收器回卷力的影響因素及其特點(diǎn)、織帶回收阻力的影響因素及其特點(diǎn)，并對(duì)此分別做了優(yōu)化設(shè)計(jì)及驗(yàn)證。旨在找到該問題的一般規(guī)律及優(yōu)化路徑，有利于提升安全帶開發(fā)質(zhì)量及效率。

圖2 回收緩慢的安全帶

1 安全帶回收力學(xué)分析

1.1 安全帶安裝方式

因考慮安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度及整體設(shè)計(jì)風(fēng)格需要，前排安全帶由于安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度要求，通常將卷收器布置在車身B柱鈑金里面，通過導(dǎo)向環(huán)將織帶固定在B柱上方鈑金，并在B柱下方鈑金或座椅左側(cè)骨架設(shè)置安全帶緊固點(diǎn)，插扣鎖布置在座椅右側(cè)骨架，如圖3所示。卷收器與導(dǎo)向環(huán)之間的織帶通常隱藏在B柱飾板內(nèi)。

圖3 前排安全帶布置位置圖

1.2 安全帶力學(xué)關(guān)系

根據(jù)織帶回收路徑及力學(xué)分析可知，織帶自動(dòng)回收在于收到了卷收器卷簧力作用，織帶運(yùn)動(dòng)路徑上存在阻力。經(jīng)分析可知，織帶承受Z方向的力遠(yuǎn)大于X、Y方向的力，為了突出卷收器卷簧力與阻力沖突點(diǎn)，簡化力學(xué)模型，僅研究Z方向的力學(xué)關(guān)系，如圖3所示。并做如下說明：F為卷收器回卷力；f為織帶回收阻力；f1為織帶與導(dǎo)向環(huán)摩擦力；f2為織帶與中間導(dǎo)向支架摩擦力；f3為織帶與導(dǎo)向套摩擦力；f4為織帶及鎖舌重力?？傻茫篺＝f1＋f2＋f3＋f4；ΔF＝F－f。

根據(jù)牛頓力學(xué)定律可知，當(dāng)鎖舌解開后，有以下3種情況：

（1）ΔF?0，即卷收器回卷力遠(yuǎn)大于織帶阻力，則織帶將受到一個(gè)拉力作用，回收迅速。雖然隨著織帶逐步回收，卷收器回卷力會(huì)逐步減小（卷簧的彈簧屬性），ΔF會(huì)逐步趨于0，但由于慣性作用，織帶亦可回收順暢。

（2）ΔF＞0，即卷收器回卷力略大于織帶阻力，則織帶收到的拉力較小，回收動(dòng)力不足，回收緩慢，尤其隨著織帶逐步回收，卷收器回卷力會(huì)逐步減小，ΔF會(huì)逐步趨于或等于0，而織帶運(yùn)動(dòng)慣性不足，使得織帶無法回收到位。

（3）ΔF＝0，即卷收器回卷力等于織帶阻力，則織帶不會(huì)受到拉力，不會(huì)回收。

因此，織帶能夠順暢回收到位的前提條件是，卷收器回卷力初始值遠(yuǎn)大于織帶運(yùn)動(dòng)所受到的阻力，并在織帶回收過程中，卷收器回卷力始終大于織帶阻力。

2 安全帶回收緩慢影響因素分析

2.1 影響因素FTA分析

根據(jù)上述分析結(jié)論可知，卷收器回卷力和織帶阻力是影響安全帶回收緩慢兩大原因［9］，依照FTA原因分析方法，對(duì)該問題做如下解析，如圖4所示。

圖4 安全帶回收緩慢FTA分析圖

2.2 卷收器回卷力影響因素分析

織帶拉出后，卷收器里面的卷簧受到了擠壓，待織帶解開后，則受到擠壓的卷簧會(huì)產(chǎn)生回卷力（即彈簧的回彈力），把織帶拉回［6，10，11］。而卷簧的回卷力主要收到卷簧圈數(shù)、卷簧厚度兩個(gè)因素影響。一般來講，卷簧圈數(shù)越多卷簧的回卷力會(huì)增加；卷簧厚度越厚卷簧的回卷力會(huì)增加。但卷簧的圈數(shù)及厚度并不能無限制增加或減少，而是需要選擇適中的、可實(shí)現(xiàn)的參數(shù)。

依據(jù)本問題中卷簧參數(shù)（圈數(shù)19圈、厚度0.23 mm）以及實(shí)際生產(chǎn)情況，制作了4種不同規(guī)格的卷簧，并分別測(cè)試了回卷力，其測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 不同規(guī)格卷簧回卷力測(cè)試結(jié)果

對(duì)比A、B、C、D樣測(cè)試結(jié)果，可得如下結(jié)論：

（1）卷簧圈數(shù)相同時(shí)，增加卷簧厚度，會(huì)增加卷簧回卷力，但同時(shí)也會(huì)提升回卷力標(biāo)準(zhǔn)差，說明卷簧厚度增加會(huì)降低產(chǎn)品一致性。

（2）卷簧厚度相同時(shí)，增加卷簧圈數(shù)，會(huì)增加卷簧回卷力，且會(huì)降低回卷力標(biāo)準(zhǔn)差，說明卷簧圈數(shù)增加提升產(chǎn)品一致性，有利于品質(zhì)管控。因此在面對(duì)卷收器回卷力不足時(shí)，優(yōu)先采用增加卷簧圈數(shù)。

2.3 織帶回收阻力影響因素分析

根據(jù)FTA分析圖可知，導(dǎo)致安全帶回收緩慢另一原因是織帶回卷阻力大，等于或接近卷簧的回卷力。而卷收器的回卷力又不能無限制的增加，因此如何降低織帶回收阻力是研究該課題的另一個(gè)方向。從圖3可知，織帶回卷阻力可以分為織帶與導(dǎo)向環(huán)摩擦力、織帶與中間導(dǎo)向支架摩擦力、織帶與導(dǎo)向套摩擦力、織帶及鎖舌重力。而產(chǎn)生這4種阻力的因素排序依次是織帶回收路徑布置、織帶及環(huán)境件摩擦系數(shù)、織帶及鎖舌克重。

2.3.1 織帶回收路徑影響阻力分析

織帶在鎖舌解開后，則沿著既定的回收路徑回收到卷收器內(nèi)，對(duì)織帶路徑有影響的零件有座椅面套、B柱飾板、B柱鈑金。尤其對(duì)于B柱飾板內(nèi)隱藏路徑織帶的布置形式對(duì)織帶回收有較大影響。

根據(jù)分析可知，B柱內(nèi)布置盡可能少接觸零件，路徑單一化，避免多次環(huán)繞，避免調(diào)整角度過大。如無中間導(dǎo)向支架的織帶路徑要比有中間導(dǎo)向支架的織帶路徑的阻力更小、調(diào)整角度小的織帶路徑要比調(diào)整角度大的織帶路徑的阻力更小，隱藏式導(dǎo)向環(huán)的織帶路徑要比外露式導(dǎo)向環(huán)的織帶路徑的阻力更小。另外座椅面套、門飾板可能會(huì)阻礙織帶運(yùn)動(dòng)，如織帶運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)膈應(yīng)織帶。如座椅比較靠前時(shí)，織帶在回收過程中，會(huì)產(chǎn)生較大的阻礙。

2.3.2 織帶與環(huán)境件摩擦系數(shù)影響阻力分析

織帶通常是采用編制滌綸材質(zhì)編制成五條紋或七條紋外觀紋路，其表面有一定粗糙度，與導(dǎo)向環(huán)或?qū)蛑Ъ艿任矬w接觸時(shí)，會(huì)產(chǎn)生摩擦力。也可采用低摩擦系數(shù)的織帶生產(chǎn)工藝，如無條紋編制，使得織帶表面光滑、觸感細(xì)膩，降低織帶表面摩擦系數(shù)。

導(dǎo)向環(huán)是織帶穿過B柱的重要零件，通常導(dǎo)向環(huán)由塑料及鋼板制成，由緊固螺柱固定于B柱或高調(diào)器，并可以繞其旋轉(zhuǎn)，如圖5所示。因此導(dǎo)向環(huán)與織帶接觸部位的材料尤為關(guān)鍵，通常會(huì)采用低摩擦系數(shù)的材料，如鑲嵌光滑金屬片，也可以選擇與織帶不易起摩擦的材料，如POM。而織帶回收過程中，往往會(huì)伴隨著導(dǎo)向環(huán)回位和調(diào)整，因此導(dǎo)向環(huán)能否正?；蝽槙车男D(zhuǎn)也是影響織帶阻力的重要原因。通常會(huì)采用嚴(yán)格控制導(dǎo)向環(huán)、緊固螺栓、B柱飾板配合尺寸及其公差，使其旋轉(zhuǎn)流暢。

圖5 普通導(dǎo)向環(huán)與鑲嵌金屬片導(dǎo)向環(huán)對(duì)比圖

2.3.3 織帶及鎖舌克重影響阻力分析

鎖舌是為了插入鎖扣佩戴安全帶的零件，通常鎖舌由塑料及鋼板制成，其大小尺寸及樣式大同小異。但根據(jù)使用要求，動(dòng)態(tài)鎖止鎖舌結(jié)構(gòu)較普通鎖舌更為復(fù)雜，重量也更重一些，如圖6所示。因此動(dòng)態(tài)鎖止鎖舌會(huì)增加織帶回收阻力，不利于織帶回收。此外織帶克重也是影響織帶阻力的原因之一，因?yàn)榭棊Э酥卦酱?，則織帶整體重量越大，則織帶在回收過程中，織帶阻力越大。

圖6 普通鎖舌和動(dòng)態(tài)鎖止鎖舌對(duì)比圖

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)及驗(yàn)證分析

3.1 卷收器回卷力優(yōu)化設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

如2.2節(jié)分析結(jié)論，可以通過增加卷簧圈數(shù)及卷簧厚度來增加回卷力，且表1結(jié)果表明，卷簧圈數(shù)比卷簧厚度更有利于提高卷簧的回卷力。但是伴隨著回卷力的增加，其卷簧的拉出力也會(huì)隨之增加，會(huì)增加安全帶拉出力，拉出困難、生涉，由于對(duì)于單手拉織帶或女性使用者影響較大，因此卷簧回卷力的增加必須考慮到拉出力的表現(xiàn)情況。

針對(duì)2.2節(jié)所述的4種不同卷簧規(guī)格的卷收器，分別測(cè)試其拉出力大小，如表2所示。其測(cè)試結(jié)果表明，C樣的拉出力相比A樣，拉出力增加較為不明顯，適合解決本問題的方案。

表2 不同規(guī)格卷簧的織帶拉出力測(cè)試結(jié)果

3.2 織帶回收阻力優(yōu)化設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

相比于卷收器回卷力增加會(huì)帶來拉出力增加，織帶回收阻力則不僅可以改善安全帶回收緩慢問題，同時(shí)也可以減小安全帶拉出力。但織帶回收阻力不可無限制降低，同時(shí)還收到成本制約。分別就織帶回收阻力各種影響，分別測(cè)試不同形式的拉出力大小，如表3所示。測(cè)試結(jié)果表明普通鎖舌相對(duì)于動(dòng)態(tài)鎖止鎖舌對(duì)織帶回收阻力的影響較大，同時(shí)導(dǎo)向環(huán)采用鑲嵌光滑金屬片也對(duì)織帶回收阻力改善較大，以上兩種適合解決本問題的方案。

表3 改善方案后織帶拉出力減小量的測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)束語

綜上分析可知，安全帶回收緩慢問題涉及原因較多，且回卷力、拉出力、回收阻力之間相互作用，但通過原理及原因剖析，以及相關(guān)優(yōu)化設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果測(cè)試，可得如下結(jié)論：

（1）織帶能夠順暢回收到位的前提條件是，卷收器回卷力初始值遠(yuǎn)大于織帶運(yùn)動(dòng)所受到的阻力，并在織帶回收過程中，卷收器回卷力始終大于織帶阻力。

（2）卷收器回卷力對(duì)織帶回收至關(guān)重要，且影響織帶拉出力。在適應(yīng)性優(yōu)化過程中，卷簧圈數(shù)要比卷簧厚度更利于提升卷收器回卷力，同時(shí)對(duì)織帶拉出力的影響較小。

（3）降低織帶回收阻力不僅有利于織帶回收，也利于織帶拉出，但織帶回收阻力不可無限制降低，也收到成本制約，在適應(yīng)性優(yōu)化過程中，鎖舌克重及導(dǎo)向環(huán)光滑金屬片對(duì)織帶回收阻力改善較大。