汽車安全帶快速回卷及耐久功能試驗機的一體化設(shè)計

陳吉清，張紅明，張茂松

上海機動車檢測認(rèn)證技術(shù)研究中心有限公司，上海 201805

0 引言

汽車已成為人類日常出行的常規(guī)工具之一。伴隨消費者對汽車質(zhì)量關(guān)注度的提升，主機廠也越發(fā)注重自身車輛的可靠性評價。通過逐步修改、更新、完善與之相關(guān)的內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)試驗方法，利用對供應(yīng)商試驗室能力的定期評審，來確定其是否具備符合自身標(biāo)準(zhǔn)要求的檢測水平。

通常，消費者會發(fā)現(xiàn)汽車裝配的安全帶隨著使用頻次的增加，回收功能逐漸變?nèi)?，甚至出現(xiàn)拉出后無法回卷的情況。當(dāng)車內(nèi)卷收器無法回卷，即使佩戴了安全帶，也不能消除織帶與身體之間的空隙，一旦遇到車輛急剎或被追尾等突發(fā)狀況，汽車安全帶將無法在有效距離內(nèi)約束乘員，導(dǎo)致產(chǎn)生乘員傷害。為了避免類似情況的發(fā)生，主機廠都要求其供應(yīng)商依據(jù)自身企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進行驗證，無論在設(shè)計初期或成品認(rèn)證階段，都有相應(yīng)循環(huán)耐久測試的考核。

1 汽車安全帶國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)介紹

目前國內(nèi)現(xiàn)行國家強制性標(biāo)準(zhǔn)GB 14166—2013、臺灣安全基準(zhǔn)26-安全帶以及澳大利亞設(shè)計準(zhǔn)則ADR 4/05-安全帶，均參考或引用歐洲ECE R16中的技術(shù)要求與試驗方法。

在企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中,多家國內(nèi)主機廠的內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)更接近德國大眾編制的技術(shù)要求與試驗方法，同時結(jié)合自身企業(yè)產(chǎn)品特點，做出部分適應(yīng)性調(diào)整。美系、日系、韓系合資車企各自也有一套供內(nèi)部執(zhí)行的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，與德系略有不同。

(1)強制性標(biāo)準(zhǔn)GB 14166—2013中對卷收器耐久試驗的相關(guān)描述[1]：織帶應(yīng)以不高于30次/min的速度進行規(guī)定次數(shù)的拉出和回卷試驗。對于緊急鎖止式卷收器，每5 次循環(huán)應(yīng)使卷收器鎖止一次，并且鎖止次數(shù)在5 種不同拉出長度上應(yīng)相同，即拉出纏繞在卷收器上織帶總長度的90%、80%、75%、70%和65%。但是，對于纏繞織帶長度大于900 mm 的情況下，上述百分?jǐn)?shù)應(yīng)以織帶可從卷收器中拉出的最后900 mm 長度為準(zhǔn)。

(2)VW TL82500中對卷收器耐久試驗的相關(guān)描述[2]：手動拉出及回卷卷收器25次循環(huán);每個循環(huán)中，當(dāng)織帶被完全拉出時承受力F≥90 N;織帶拉出速度為10～60 m/min;鎖止時的動態(tài)峰值載荷為200 N≤F≤300 N。

(3)NISSAN DESIGN SPECIFICATION 86840NDS00安全帶標(biāo)準(zhǔn)中第4-16-1條的描述[3]：快速回卷測試示意如圖1所示，將卷收器模擬車身上的安裝方式，在織帶回收量的25%長度， 抽出100 mm長度的織帶，再放開使其自動回卷。

圖1 快速回卷測試示意

2 設(shè)備的設(shè)計思路

通過對標(biāo)準(zhǔn)的解讀，區(qū)分兩種測試方法可概括為：

(1)安全帶卷收器耐久功能。可將卷收器織帶正常拉出及回卷不同長度；同時具備車感加速鎖止,帶感加速鎖止；靜、動態(tài)載荷功能，并可長時間反復(fù)循環(huán)。

(2)安全帶卷收器快速回卷功能?？蓪⒖棊Ю?00 mm，然后突然松開，使其快速自動收回到卷收器中，并長時間反復(fù)循環(huán)。

鑒于以上兩種功用，本文主要通過耐久試驗具備的共通點及卷收器原有特性開展。在快速回卷試驗中，瞬間返回的織帶會造成卷收器鎖止，若不能解決解鎖問題，則無法有效完成試驗。

解決解鎖問題的方法主要有兩種：

(1)在下個循環(huán)開始前，對卷收器進行一次鎖止?fàn)顟B(tài)下的“硬拉”后釋放。

(2)在下次循環(huán)開始前，適當(dāng)回卷織帶并復(fù)位。而回卷織帶需要通過一組驅(qū)動電機來執(zhí)行，如果與耐久試驗中的卷帶電機共用則效率最高。

整體設(shè)計采用分層結(jié)構(gòu)，布置區(qū)域由上至下確定各組模塊功能并合理布局，互不干涉。

3 設(shè)備的機械設(shè)計開發(fā)

3.1 整體機架

機架整體[4-5]采用矩形管，機械區(qū)由上至下分5層布局，如圖2所示。

圖2 機架設(shè)計布局

第一層裝配獨立卷帶電機安裝板，以螺栓固定在機架立柱右側(cè)。兩端與機架外側(cè)平齊。卷帶電機安裝塊與卷帶電機安裝板上下平齊，以螺栓固定。

第二層裝配測力緩沖機構(gòu)安裝板，以螺栓固定在機架立柱左側(cè)。兩端與機架外側(cè)平齊。導(dǎo)向機構(gòu)墊塊與安裝板上下平齊，以螺栓固定。

第三層裝配加速部件固定底板，與機架縱擋兩外側(cè)平齊，以螺栓固定。將加速滑軌固定在底板上，通過伺服電機連接滾珠絲桿與滑軌連接后，形成一個可產(chǎn)生加速度的水平滑臺。

第四層裝配旋轉(zhuǎn)支架固定板，四邊與對應(yīng)的兩塊機架底支撐桿四邊平齊，以螺栓固定。氣缸安裝板與其對應(yīng)的墊塊平齊，以螺栓固定。氣缸安裝板墊塊焊接在框架橫拉桿里側(cè)面上，與氣缸安裝板接觸面位置攻螺紋將兩者固定。

第五層裝配測力安全帶固定板，螺栓固定。機架下方地腳輪安裝在框架四角處，均分布置。

3.2 關(guān)鍵器件結(jié)構(gòu)

3.2.1 卷帶筒

卷帶筒端蓋以內(nèi)孔套在鎖舌固定件外圓上，螺栓穿過其圓周孔擰在鎖舌固定件內(nèi)螺孔上，可將卷收器的帶上件放置其中,如圖3所示。

圖3 卷帶筒端蓋及鎖舌固定件

3.2.2 卷帶電機

鎖舌固定件軸承座以螺栓固定在伺服電機固定架上，確保鎖舌固定件前端內(nèi)孔與減速器輸出軸同心。減速器以定位外圓與伺服電機固定架內(nèi)孔配合，螺栓固定。

卷帶電機正向旋轉(zhuǎn)，通過卷帶筒將卷收器中的織帶逐漸拉出，卷繞在卷帶筒表面。卷帶筒反向旋轉(zhuǎn)，卷收器則回卷相應(yīng)長度的織帶。

卷帶電機總成如圖4所示。

圖4 卷帶電機總成

3.2.3 測力緩沖機構(gòu)

測力緩沖機構(gòu)總成如圖5所示。該機構(gòu)集成滑塊、力傳感器、電磁吸盤、導(dǎo)輪、回位彈簧等。

圖5 測力緩沖機構(gòu)總成

導(dǎo)向測力輪裝配安裝板與滑塊固定可沿導(dǎo)軌前后移動，后端吸板與電磁吸盤通過磁力吸合，前端固定的導(dǎo)銷(外套緩沖及回位彈簧)在導(dǎo)向輪安裝板前端孔的約束下使其只能作前后移動。

測力緩沖機構(gòu)中的力傳感器時刻監(jiān)測力的變化，達(dá)到設(shè)定參數(shù)后，電機進行反轉(zhuǎn)，此時織帶開始被卷收器回收，通過往復(fù)循環(huán)至完成規(guī)定次數(shù)。當(dāng)拉力過大時測力緩沖機構(gòu)中的力傳感器給出信號，導(dǎo)向緩沖機構(gòu)中的電磁吸盤斷電，緩沖作用啟動，保護裝置免受損壞。

3.2.4 導(dǎo)向測力機構(gòu)

導(dǎo)向測力機構(gòu)總成如圖6所示。通過安裝板固定導(dǎo)向測力輪，另一端用螺栓與力傳感器的后端固定，安裝板通過銅套以兩根導(dǎo)柱與導(dǎo)向測力輪裝配安裝板連接(銅套與導(dǎo)柱間隙配合)。運動過程中當(dāng)導(dǎo)向測力輪受到安全帶往前的拉力時，帶動導(dǎo)向測力輪安裝板一起相對于導(dǎo)向測力輪裝配板向前移動，力傳感器受到壓向力。當(dāng)力值超出設(shè)定參數(shù)時，電磁吸盤斷電失去吸力，吸板與導(dǎo)向測力輪裝配安裝板前后位置失去約束。在導(dǎo)向測力輪受拉向力時，通過導(dǎo)向測力輪安裝板、力傳感器固定螺栓、力傳感器、力傳感器固定螺栓將力傳遞到導(dǎo)向測力輪裝配安裝板，迫其一起克服彈簧力往前移動起到緩沖作用。同時力傳感器將逐漸增大的力值讀取出來，形成力值曲線。

圖6 導(dǎo)向測力機構(gòu)總成

3.2.5 水平加速組件

水平加速組件如圖7所示。安裝時，加速電機安裝板與絲桿固定座兩孔中心同心。裝配后，滾珠絲桿帶動螺母運行順暢、無阻滯、噪聲小。加速推桿兩端根據(jù)所購滑軌的螺孔加工通孔，以螺栓固定。前端根據(jù)絲桿螺母固定孔加工螺孔與之固定。

伺服電機根據(jù)設(shè)定的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，通過滾珠絲桿、加速機構(gòu)帶動安全帶卷收器固定板快速向前，沿水平向移動，可使安全帶自鎖，隨后卷帶電機反轉(zhuǎn)，將安全帶織帶回卷至預(yù)設(shè)位置。

圖7 水平加速組件

3.2.6 耐久用安全帶固定底座

安全帶固定底座如圖8所示。安全帶固定板為通孔，用螺栓固定，側(cè)面銷孔以銷釘與旋轉(zhuǎn)支架(上)銷孔旋轉(zhuǎn)配合，旋轉(zhuǎn)角度調(diào)節(jié)后，用兩顆螺栓沿旋轉(zhuǎn)支架腰形槽將兩者固定，調(diào)節(jié)范圍為±30°。

卷收器安裝至固定板后，形成一體。

圖8 安全帶固定底座

3.2.7 安全帶織帶加緊機構(gòu)(夾持板)

織帶加緊機構(gòu)如圖9所示。安全帶夾持下板左右兩側(cè)固定連接兩個滑塊與主機上的垂直導(dǎo)軌滑動連接。兩個電磁吸盤及4根夾持導(dǎo)柱均固定在安全帶夾持下板上。安全帶夾持上板被4根夾持導(dǎo)柱約束只能相對于安全帶夾持下板作前后移動。夾持橡膠分別粘貼在安全帶夾持上、下板的相對面上，用來夾持安全帶織帶。

圖9 織帶加緊機構(gòu)

吸板通過球面墊圈被連接在安全帶夾持上板上，可隨球面在一定范圍內(nèi)作任意向的相對于自身平面(水平面)擺動，易于吸板完全貼合電磁吸盤。吸板彈簧可避免安全帶夾持上、下板在夾持橡膠夾緊安全帶后過于靠近，導(dǎo)致吸板和電磁吸盤剛性碰撞而損壞電磁吸盤。

吸板與電磁吸盤通電貼合，電磁吸盤產(chǎn)生的磁力吸住吸板使夾持上、下板通過夾持橡膠緊緊夾住安全帶織帶不能松開。

完成夾持要求后斷電，電磁吸盤松開吸板回位。緩沖彈簧可緩沖回位彈簧產(chǎn)生的沖擊力。

3.2.8 搖臂電機

搖臂電機總成如圖10所示，電機搖臂上的推桿做上下往復(fù)運動。當(dāng)兩根推桿處于垂直位置時，即一根處于最低位置，另一根則處于最高位置。最低位置的推桿帶動與它連接的安全帶夾持板也處于最低位置，最高位置的推桿帶動與它連接的安全帶夾持板也處于最高位置，兩者正好相差100 mm。

圖10 搖臂電機總成

3.2.9 氣缸組件

氣缸組件如圖11所示。氣缸為對夾持板在夾緊前，提供初始動力，待安全帶夾緊裝置被電磁吸盤閉合后，氣缸活塞收回。夾持板帶動織帶上行，完成一個測試循環(huán)。共有4個氣缸配對4個夾持板。

圖11 氣缸組件

3.2.10 快速回卷用固定測力板

固定測力板總成如圖12所示。固定板由上下兩部分組成，中間力傳感器通過兩端螺栓連接，兩側(cè)以兩根導(dǎo)銷導(dǎo)向。導(dǎo)銷與上固定板為過盈配合，與下固定板通過導(dǎo)銷套為間隙配合。

圖12 固定測力板總成

在循環(huán)過程中，力傳感器始終監(jiān)測力值變化。當(dāng)出現(xiàn)大于設(shè)定參數(shù)的情況，其對應(yīng)的織帶夾持板瞬間斷電，可松開織帶，同時卷帶電機執(zhí)行回卷部分行程再回位，用于嘗試解鎖卷收器。當(dāng)多次發(fā)生超出設(shè)定參數(shù)時，與其對應(yīng)的織帶夾持板、回卷電機及氣缸不在工作，此時軟件提示產(chǎn)品出現(xiàn)故障。

設(shè)備整體結(jié)構(gòu)如圖13所示。

圖13 設(shè)備整體結(jié)構(gòu)

4 設(shè)備應(yīng)用效果

執(zhí)行卷收器耐久測試時，通過控制卷帶電機與水平加速電機的轉(zhuǎn)速，模擬車感加速及帶感加速效果，可使卷收器發(fā)生鎖止。卷帶電機接近所設(shè)最大卷繞長度時，將轉(zhuǎn)速放慢，當(dāng)織帶被完全拉完后，電機繼續(xù)旋轉(zhuǎn)適當(dāng)角度，此時測力緩沖機構(gòu)中的力傳感器所受壓向力逐漸上升，當(dāng)達(dá)到90 N后，卷帶電機開始回卷，實現(xiàn)靜態(tài)載荷力。

當(dāng)水平加速電機啟動使卷收器以車感形式鎖止時，卷帶電機同時旋轉(zhuǎn)，受動態(tài)沖擊的作用影響，力傳感器采集到的壓向力快速上升，由此行程沖擊載荷即動態(tài)載荷。當(dāng)力值在200～300 N范圍內(nèi)時，卷帶電機緩慢回卷，將動態(tài)載荷降至90 N，并穩(wěn)定稍許時間。通過半開環(huán)控制，旋轉(zhuǎn)電機自動采集上一次沖擊載荷時的旋轉(zhuǎn)角度，適當(dāng)情況下做出修正[6]。

在執(zhí)行快速回卷測試時，將測力緩沖機構(gòu)向內(nèi)側(cè)推動，同時將水平加速滑臺調(diào)整至最右側(cè)位置，此時織帶可穿過耐久試驗區(qū)，與之不發(fā)生干涉。此時夾持板夾取狀況穩(wěn)定，回彈到位，未出現(xiàn)滑脫情況，夾持橡膠為損耗件，可定量更換。

5 結(jié)束語

耐久類設(shè)備的可靠性，需要一個漫長的驗證周期。一方面，通過整合各種不同類型的試驗標(biāo)準(zhǔn)，從中找出共通點，理解標(biāo)準(zhǔn)中每條簡短技術(shù)要求背后的真實方向與目的，利用合理布局、分層設(shè)計、精準(zhǔn)控制才能做出具備價值的產(chǎn)品。另一方面，每個器件的組合度與自身耐久性是否能滿足長期試驗，是否在后期需要進行小范圍修正，則需要通過多輪實測后方可得到結(jié)論。目前，該設(shè)備各項性能指標(biāo)已達(dá)到設(shè)計需求，且處于正常使用中。