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汽車安全帶工作原理

2019-01-25 10:01:10·  來源：汽車碰撞安全仿真在線  
　
預(yù)緊限力式安全帶卷收器的基本組成和工作過程本文以常見的預(yù)緊限力式安全帶為例，介紹安全帶工作過程。安全帶卷收器主要組成部分為：框架、芯軸、鎖止機構(gòu)、回收
預(yù)緊限力式安全帶卷收器的基本組成和工作過程
 
本文以常見的預(yù)緊限力式安全帶為例，介紹安全帶工作過程。安全帶卷收器主要組成部分為：框架、芯軸、鎖止機構(gòu)、回收機構(gòu)、預(yù)緊器、限力機構(gòu)。其中，框架主要作用為支撐卷收器整體結(jié)構(gòu)，保證連接強度，固定其他零件；芯軸的主要作用為纏繞織帶，傳遞扭矩；鎖止機構(gòu)負責(zé)在車輛有水平方向加速度時以及織帶拉出加速度達到一定值時將芯軸和的旋轉(zhuǎn)運動鎖止在框架上；回收機構(gòu)在未發(fā)生碰撞時負責(zé)輕緩地回卷芯軸用來收回松弛的織帶；在車輛發(fā)生碰撞時，預(yù)緊器會在收到電信號后通過芯軸將織帶快速收回一段長度；而限力機構(gòu)在織帶收到極高的外載荷時限制織帶拉出力的大小。
 
在常見的正面碰撞工況中，主要的性能部件為預(yù)緊器和限力機構(gòu)。
 
在碰撞發(fā)生的若干毫秒之后，車輛的ECU會向安全帶卷收器發(fā)出電壓信號，以觸發(fā)卷收器的預(yù)緊動作。預(yù)緊器會在10ms左右的短暫時間內(nèi)，將安全帶織帶快速往回收，回收的長度依外部載荷的大小而不同，通?？梢允栈?~120mm不等。當(dāng)前普遍采用的預(yù)緊器為使用焰火式氣體發(fā)生器燃燒生成大量氣體，通過活塞推動一組機構(gòu)來驅(qū)動安全帶回收，預(yù)緊器的拉力會隨著活塞內(nèi)氣體的生成和排出，表現(xiàn)為先上升后下降的形態(tài)。
 
在碰撞過程中，隨著車身加速度大小的逐漸增加，約束乘員的安全帶載荷也會逐漸升高，直到上升的載荷大于預(yù)緊器的回收力后，預(yù)緊器會停止回收織帶。載荷不斷上升，織帶會被往外拉出，帶有限力機構(gòu)的卷收器，會將通過限力軸的扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的扭矩來提供織帶往外拉出的阻力，以達到織帶拉力不再上升，而且以一個較平穩(wěn)的力值釋放織帶的設(shè)計目標，這樣的限力可以限制對乘員的胸腔肋骨的傷害。
圖一 預(yù)緊限力式安全帶卷收器工作過程示意
 
圖一描述了預(yù)緊限力式安全帶卷收器在正面碰撞過程中的動作順序。安全帶卷收器最直接的表現(xiàn)結(jié)果就是卷收器出口處的織帶張力，而作用在乘員身上的則是肩帶力，肩帶力一般是出口力繞過導(dǎo)向環(huán)后的表現(xiàn)，其特征相對于出口力又有一些不同，不同的因素主要是由于導(dǎo)向環(huán)的摩擦力方向不同所產(chǎn)生的。
 
根據(jù)卷收器工作狀態(tài)不同，安全帶的出口力和肩帶力有如下特征：
1、預(yù)緊階段： 兩者同時上升， 出口力大于肩帶力；
2、鎖止階段：出口力下沉然后再次上升，肩帶力則持續(xù)上升，開始超過出口力；
3、限力階段： 兩者同時進入平臺， 肩帶力大于出口力。
 
預(yù)緊和鎖止階段的力值大小和持續(xù)時間等，與安全帶收到的載荷密切相關(guān)。 若載荷較小，則預(yù)緊階段的安全帶力也會較小，同時織帶回收量會變得較大。 反之亦然。
 
預(yù)緊限力式卷收器仿真模型
 
為了盡可能還原卷收器響應(yīng)外載荷的情況，在仿真模型建模前，需理清預(yù)緊限力式安全帶卷收器的傳力關(guān)系，預(yù)緊限力式安全帶卷收器的碰撞工況下最簡模型如圖二所描述：
圖二 預(yù)緊限力式安全帶卷收器等效直線運動基本結(jié)構(gòu)
 
圖二中，為了在仿真模型中實現(xiàn)建模，將卷收器的旋轉(zhuǎn)運動，等效成了直線運動。當(dāng)預(yù)緊器點爆后，預(yù)緊器的活塞推動芯軸連帶著鎖止機構(gòu)和限力機構(gòu)以及織帶向左運動；隨著預(yù)緊器內(nèi)氣體逐漸減少、安全帶外載荷逐漸上升，從小與預(yù)緊力逐漸增大至大于預(yù)緊力，一旦開始反向運動后，鎖止機構(gòu)會與框架連接固定，織帶拉著芯軸向右側(cè)移動，伴隨著限力機構(gòu)起作用；在反推過程中，預(yù)緊器也與芯軸發(fā)生脫離，不會阻礙芯軸繼續(xù)往右側(cè)運動。
 
在傳統(tǒng)的仿真建模方式中，可能會采用力-時間的函數(shù)或者力-位移的剛度特性來表述預(yù)緊器的出力特征，其缺點也是顯而易見的，預(yù)緊力無法響應(yīng)載荷的變化，不具有預(yù)測性。另外，也常用一條直線，或者試驗測量的曲線表征限力機構(gòu)的剛度特性，其實無法在織帶剩余量變化后預(yù)測限力值相應(yīng)的變化。 
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