汽车安全带带扣耐久性试验系统研制

谢东坡，周 亮，罗 勇，徐建勋，张仪栋，覃国周

(重庆车辆检测研究院国家客车质量监督检验中心，重庆 401122)

汽车安全带作为汽车被动安全中极其重要的系统，其作用是限制乘员的突然移动，保护驾驶员和乘客免受二次冲撞造成的伤害。带扣作为安全带的重要组成部分，是使安全带佩戴者能够被安全带约束住且能快速解脱的装置，起着保护乘员和及时逃生的作用，因此，它的性能必须符合相关标准的要求[1-2]。国外汽车产业发达国家均有各自的相关标准，如文献[3-5]等。我国已于1993年发布实施了标准[6]，其替代标准[7]于2003年发布实施。在本文撰写期间，最新国家标准[8]也正在审定当中。

为了更好地服务于汽车安全带公告检测和3C检测以及相关生产厂家的研发试验，重庆车辆检测研究院（国家客车质量监督检验中心）设备研发中心开发了一系列包括汽车安全带带扣耐久性试验台、安全带织带耐磨及微滑移试验台、儿童座椅B类锁止装置性能试验台等在内的机动车约束系统零部件试验台。本文就其中的汽车安全带带扣耐久性试验系统的研制予以介绍，实物如图1所示。

1 功能分析与总体设计

1.1 系统功能分析

为了满足我国标准[7-8]，并兼顾国外主流标准，对各相关标准进行了比对，发现我国与其他国家的标准中对带扣耐久性试验都有明确的要求，即带扣应能承受反复操作，在进行规定的动态试验前，带扣应在正常使用条件下经受5 000次开闭循环。

根据以上标准要求，兼顾通用性、完整性、安全性等因素，研制的系统应包括如下功能：

1）能适应多种型号带扣和锁舌的装卡。

2）解锁机构应具有位置调节能力。

3）应能判断带扣锁止与解锁动作执行成功与否，并对成功的动作进行计数。

4）系统应满足双工位试验需求。

5）试验频率、试验次数可设定，试验压力可调节。

6）具有异常状况报警和在紧急情况下快速停机的能力。

1.2 系统总体设计

根据系统功能要求，对带扣耐久性试验系统进行总体设计，系统构架示意图如图2所示。整个系统主要包括机械系统和电气系统两部分。机械系统由工装夹具、执行机构和试验台柜体等组成。其中工装夹具主要完成工件及执行机构的夹装与调整，它包括锁扣夹具、锁舌夹具和解锁机构夹具；执行机构可以实现带扣的锁止与解锁动作，它包括锁止执行机构与解锁执行机构；试验台柜体则是实现对工装夹具、执行机构及电气系统的支撑。电气系统由电源系统、PLC控制器、HMI人机交互触摸屏、传感器组、电磁阀组和报警模块组成。

2 机械系统设计

2.1 锁舌和锁扣夹具

为了满足前述系统功能1）的要求，所设计的锁舌夹具包括可动部分与固定部分。两者之间的上下位置可通过长孔调节，以适合不同型号的带扣夹装。锁舌夹具可动部分上有锁舌夹持机构，既能在插入时对锁舌具有导向作用，又能给锁舌一定的自由度。锁扣夹具主要用于锁扣的夹装，亦设计有可调装置，以满足多种锁扣夹装要求。锁舌和锁扣夹具如图3所示。

2.2 解锁机构夹具

锁扣上解锁按钮的位置有与锁舌插入方向平行或垂直两种，因而解锁机构应具有水平位置与垂直位置之间的调节功能。如图4所示，解锁气缸固定在解锁气缸基座上，解锁气缸基座通过连杆与解锁位置调节基座采用活动连接。当在图4所示位置时，解锁气缸基座通过连接板与锁止气缸基座固定在一起，可实现水平位置动作。当需要垂直位置动作时，则取掉连接板，解锁气缸及其基座随连杆一起转动到垂直位置，通过连杆上的孔与解锁位置调节基座上的长孔实现解锁气缸及其基座的固定，这样就满足了前述系统功能2）的要求。

2.3 系统执行机构设计

根据耐久性试验的特点，选择气缸作为解锁与锁止动作执行元件，配合适当的气控回路实现锁止与解锁功能。解锁与锁止执行机构原理如图5所示，气源进气通过一个开关阀后分别进入调压阀1与调压阀2进行调压（以满足前述系统功能5）中对试验压力可调节的要求），经调压后的压力分别通过4个控制阀进入4个气缸。锁止控制阀1、2一个出口分别接锁止气缸1、2；另一个出口接堵头，可控制锁止气缸前进或处于自由状态（锁止气缸将锁舌锁止后，即转换为自由状态，此时配重砝码对锁舌施加一个向后拉力，为解锁做好准备）。解锁控制阀1、2的两个出口分别接解锁气缸1、2的两个接口，可控制解锁气缸正反双向运动。根据双工位设计要求，锁止气缸1与解锁气缸1作为一组实现工位1的动作，锁止气缸2与解锁气缸2作为一组实现工位2的动作，两个工位可相互动作，互不影响，2个接近开关用于判断锁止是否成功，并对锁止和解锁成功的动作进行计数，这样就满足了前述系统功能3）和4）的要求。

整个机械系统的设计满足双工位试验需求，所设计的带扣和锁舍夹具能适应多种型号带扣和锁舌的装卡要求，解锁机构具有位置调节能力，系统能够自动判断带扣锁止与解锁动作执行成功与否，并对成功的动作进行计数。

3 电气系统设计

3.1 系统硬件

系统选用费斯托气缸带动直线运动单元及旋转运动单元完成开启、插入等往复动作。采用欧姆龙光电开关进行检测带扣状态是否失效，并进行位置控制和试验次数记录。系统的电气控制采用PLC，需2个输入、6个输出控制点。选用中达电通DVP-ES2系列PLC—DVP 16ES200T，它具有结构紧凑、高速稳健、高可靠度、性价比高、指令系统功能强大、较快的处理速度等优点。系统中PLC有2个输入点用于光电开关输入，5个输出点用于控制气路电磁阀，1个输出点用于报警输出。

3.2 系统软件

1）PLC程序设计。根据试验的操作要求，确定各动作的顺序和相互之间的关系，设计出程序流程图，再根据PLC输入/输出的逻辑关系编写梯形图，并下载至PLC控制器即可。程序流程图如图6所示。

2）HMI程序设计。系统配置5.6寸HMI触摸屏DOP-B05S100进行人机交互，它具有65536色TFT，1个USBHost、1个USB Client和2个串行接口。根据试验特点和功能要求，HMI程序设计了5个显示页面，分别是系统主界面、参数设置、自动试验、试验调试和结果统计。系统主界面是HMI的启动页面；为了满足前述系统功能5）中对试验频率、试验次数可设定的要求，在参数设置页面设计了两个工位的试验频率和试验次数的设定功能，且可对系统主气路进行控制或复位系统以及对试验模式的选择；在自动试验页面可以实现对两个工位的启动和停止控制、实时显示试验次数和工作状态、并对异常情况进行报警，满足前述系统功能6）的要求；在试验调试页面，可以根据需要手动调试试验；在结果统计页面，则分别统计每个工位的累积试验次数和累计工作时间，便于根据设备使用情况定期维护设备或更换备件，以保证设备处于良好的使用状态。

整个电气系统的硬件设计构架简洁、运行稳定，软件设计能够实现双工位的独立控制，可以完成对实时试验参数的监测，对异常情况的报警，并可以给出试验结果统计信息。

4 结束语

本文依据标准中对安全带带扣耐久性试验的相关要求，提炼出带扣耐久性试验系统功能，并对应于系统功能要求从机械系统和电气系统的两个方面对系统研制进行了论述。通过样品测试表明，重庆车辆检测研究院（国家客车质量监督检验中心）研制的汽车安全带带扣耐久性试验系统，具有自动化程度高、可靠性高、人机交互友好、软件操作简便等特点。其各项指标满足国家标准对带扣耐久性试验的要求，达到了预期的设计目的，具有较好的应用价值和推广前景。

[1]马小军，张胜波，许必熙，等.汽车安全带扣自动测试装置的研制[J].机床与液压，2006，（12）：158-160.

[2]梁红玉，李春成.浅谈汽车安全带的技术性能及其使用[J].汽车实用技术，2003，（12）：49-50.

[3]FMVSS 209，座椅安全带总成[S].

[4]ECE R16，安全带及成人约束系统[S].

[5]JIS D4604，汽车零件座椅带[S].

[6]GB 14166-1993，汽车安全带性能要求和试验方法[S].北京：中国标准出版社，1993.

[7]GB 14166-2003，机动车成年乘员用安全带和约束系统[S].北京：中国标准出版社，2003.

[8]GB 14166-2013，机动车乘员用安全带,约束系统,儿童约束系统和ISOFIX儿童约束系统的性能要求和试验方法[S].北京：中国标准出版社，2013.