基于剪切增稠流体的安全带制动装置创新设计

朱坤鹏

摘要：为提高安全带的舒适性，避免紧急制动时造成二次伤害和磨损，本文设计一种安全带制动装置。基于剪切增稠流体效应使安全带起到制动效果，利用转子圆周面和端面剪切增稠流体提供的阻力进行高效制动，同时缩小体积。依据国标中紧急制动时安全带的速度和拉力，根据运动学、动力学分析，结合对剪切增稠流体粘度-剪切速率曲线的分段化处理，计算出满足要求的转子直径、厚度、转子端面和侧面与壳体的间隙、四个齿轮齿数等关键设计参数。

Abstract： In order to improve the comfort of safety belt and avoid secondary injury and wear during emergency braking， a safety belt braking device is designed in this paper. Based on the shear thickening fluid effect， the safety belt has the braking effect， and the resistance provided by the shear thickening fluid on the circumferential surface and the end surface of the rotor is used for efficient braking， and the volume is reduced at the same time. According to national standard in the seat belt when emergency braking of speed and tension， according to the kinematic and dynamic analysis， the combination of shear thickening fluid viscosity and shear rate curve segment， calculate meet the requirements of the rotor diameter， thickness， the clearance between housing and rotor end and side， four key design parameters such as the gear teeth.

关键词：剪切增稠流体;安全带;制动装置;分段线性化

Key words： shear thickened fluid;seat belts;brake rigging;piecewise linearization

中图分类号：TU976.5                                     文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2020）24-0209-03

0  引言

在生活节奏逐步加快的今天，汽车已经成为人们出行时必不可少的工具，减少了交通通勤所用的时间，但同时会造成安全事故。当车祸来临时，如果不系上安全带，在惯性的作用下，人体就会飞离座位，造成人员的擦伤、撞伤，存在严重安全隐患[1]。安全带的普及能有效的防止人体离开座位，但是不正确使用依旧会给人体带来二次伤害[2]，而且由于系安全带后挤压身体产生不适，许多人不愿意系上安全带。安全带的束缚作用主要由安全带制动装置提供，因此进一步改进安全带制动装置设计有重要的意义。

目前人们使用的安全带主要是紧急锁止式汽车安全带[3]。这类安全带有着经济实用、体积小、反应迅速等优点[4]，技术较为成熟，获得广泛应用。但是此类安全带舒适性却比较低[5]，而且制动装置主要利用棘轮棘爪制动，仍存在磨损等问题，可能造成安全带失灵等安全事故[6]。

针对现有安全带的不足，本文尝试设计基于剪切增稠流体[7、8]的安全带制动装置实现制动，以保障人们舒适安全地使用安全带。剪切增稠流体的特性为进一步提高现有安全带舒适性，解决紧急制动时造成二次伤害和磨损等问题提出了可能。本文将对基于剪切增稠流体的安全带制动装置的进行研究和设计。

1  装置组成和原理

参考图1，所设计的安全带制动装置主要由三大部分组成，分别是传动部分、变速部分以及制动部分。其中，传动部分主要由安全带、槽轮、槽轮轴组成;变速部分主要由转子轴以及四个齿轮组成的齿轮系组成;制动部分主要由转子与剪切增稠流体组成。该装置的原理为：在车祸发生时，驾驶员会由于惯性迅速向前移动并拉出安全带。传动装置将安全带的拉出速度通过摩擦力作用在槽轮上，使槽轮获得与安全带一致的线速度进而旋转起来。这一旋转运动通过轴传递至变速部分的z1齿轮，通过z1/z2和z3/z4两处齿轮的配合作用，实现变速功能。z4是变速部分的输出齿轮，通过轴与转子固连，带动转子转动。而转子转动时使转子与壳体间的剪切增稠流体发生剪切运动，从而使剪切增稠流体发挥作用，反过来对转子起到制动效果，最终对安全带起到制动作用，达到使人体减速的目的。所设计裝置的一个显著特点是，充分利用转子圆周面和2个端面剪切增稠流体提供的阻力进行制动，有助于在提高制动效果的同时缩小体积。

2  紧急制动时安全带的速度和拉力

根据国家标准[9]，要求安全带在被拉出加速度为2.94 m/s2时，制动装置（卷收器）在拉出长度不大于50 mm的位置上锁止。假设制动距离为50mm，即0.05m，此时传统安全带制动装置棘轮发生作用，将运动突然停止。这里，不考虑安全带的弹性，且认为棘轮发生作用前安全带是匀加速运动。

这样，传统安全带在拉出t秒时达到制动距离可根据匀加速运动公式计算：

棘轮制动时安全带的拉出速度（m/s）：

假设驾驶员质量100kg，其中上身质量为50kg，又假设棘轮制动时间为0.08s，根据动量定理计算安全带对驾驶员的作用力合力（N）：

这样，假设两侧安全带对人体作用力大小相等，且与合力方向相同。则两侧安全带对人体作用力均为：

根据牛顿第三定律，安全带被拉出的力大小也为165.6 N，为了方便同样记為F。

3  详细计算和设计

取槽轮直径d0约0.1m，又根据紧急制动时安全带的拉出速度0.53m/s，可计算出槽轮旋转角速度ω1：

参考图1进行安全带制动装置主要参数的计算和设计。初取转子直径d为0.15m、壳体内径D为0.154m，则转子与壳体之间的间隙h为0.002m。

参考图2，根据文献[10]，对于体积分数为54%的剪切增稠液体，在剪切速率区间 [200s-1，250s-1]，粘度随着剪切速率的提高从25Pa·s近似线性提高到95Pa·s。

参考图1进行缓降机构的设计和计算，初取转子直径d为0.15m、壳体内径D为0.154m，则转子侧面与壳体之间的间隙h为0.002m。根据文献[10]，二氧化硅质量分数为54%的剪切增稠流体，剪切速率区间 [200s-1，250s-1]是近似线性的剪切增稠段。取制动部分在紧急制动时转子的剪切速率为剪切增稠段的中点，对应剪切速率和粘度分别为225s-1和50Pa·s，该剪切速率对应转子（与齿数为z4的齿轮固连）的转速：

参考图3进行传动部分的设计和计算，总的传动比应满足：

取齿数z1、z2分别为20和53，齿数z3、z4分别为12和8，该方案传动比：

满足要求的传动比。

再在对图1中的转子进行受力分析，安全带对槽轮拉力在转子上存在等效力矩，这一等效力矩与转子侧面和左右端面受到的阻力矩之和平衡。首先计算安全带对槽轮拉力在转子上的等效力矩（Nm）：

然后，分别计算转子侧面和左右端面受到的阻力矩。转子侧面受到的阻力矩：

接着，计算转子左右端面受到的阻力矩，二者是一样大的。

参考图4，根据文献[10]中体积分数为54%材料的粘度-剪切速率曲线特点，将该曲线分成AB和BC两段并线性化。读图可知，A、B、C三点的坐标分别为（1，5）、（180，5）、（230，60），进一步可算出分段线性化后的粘度-剪切速率函数表达式为：

先初取端面间隙h为0.002m，在圆周面上对应的剪切速率是整个端面对应间隙中流体的最大剪切速率max：

忽略小于1s-1的区间，整个端面对应间隙的剪切速率的区间是[1s-1，225s-1]。

以下根据式（11）的分段函数计算转子端面上作用的剪切应力。对于剪切速率区间[1s-1，180s-1]对应的转速区间为[0.002m/s，0.36m/s]，对应的半径区间为[0.0003m， 0.06m]。根据此圆环区域的剪切速率均值90.5s-1和对应的粘度值5Pa.s，估算此圆环区域受到的剪切应力（Pa）为？子1（Pa）：（13）

剪切速率区间[180s-1，225s-1]对应的转速区间为[0.36m/s，0.45m/s]，对应的半径区间为[0.06m，0.075m]，利用该圆环区域的剪切速率均值202.5s-1及该处的粘度29.75Pa.s，则剪切应力？子2（Pa）为：

转子整个端面上的阻力矩T（Nm）等于两个圆环区域作用阻力矩的和：

根据安全带对槽轮拉力在转子上的等效力矩M与转子两个端面和侧面作用的阻力矩之和平衡，因此：

计算出转子厚度L约为0.07m，即7cm。

综上所述，所设计的安全带制动装置的制动部分中，转子直径0.15m，厚度0.07m，转子端面和侧面与壳体的间隙均为0.002m。传动部分中，四个齿轮中齿数z1、z2分别为20和53，齿数z3、z4分别为12和8，传动比为53/30。上述设计参数可满足设计目标。

4  结论

提出了一种基于剪切增稠流体的安全带制动装置创新设计，主要结论如下：

①提出了基于剪切增稠流体的安全带制动装置创新设计，包括传动部分、变速部分以及制动部分，传动部分主要由安全带、槽轮、槽轮轴组成;变速部分主要由转子轴以及四个齿轮组成的齿轮系组成;制动部分主要由转子与剪切增稠流体组成。

②根据安全带在被拉出加速度为2.94m/s2、制动装置（卷收器）在拉出长度不大于50mm的位置上锁止的条件，计算出安全带被拉出的力大小为165.6N。

③根据运动学、动力学分析，结合对剪切增稠流体粘度-剪切速率曲线的分段化处理，计算出转子直径0.15m，厚度0.07m，转子端面和侧面与壳体的间隙均为0.002m，四个齿轮中齿数z1、z2分别为20和53，齿数z3、z4分别为12和8，传动比为53/30。

本文的研究有助于解决紧急制动时安全带对人体造成二次伤害和安全带自身磨损等问题，但是本研究在设计方案的具体实现方式、装置体积等方面仍有不足，以后将开展进一步研究。

参考文献：

[1]中国交通事故深入研究工作组.在汽车碰撞事故中安全带的保护效能究竟有多大[J].汽车与安全，2017（12）：78-80.

[2]王冬梅.汽车安全带对乘员头部伤害的计算模拟研究[J]. 同济大学学报：自然科学版，1997（5）：528-531.

[3]方根明.紧急锁止式汽车安全带工作原理与使用[J].汽车与配件，2001（25）：20-21.

[4]唐波.汽车安全带的性能研究以及相关探讨[J].汽车与配件，2011（14）：32-35.

[5]王全.安全带佩戴舒适性分析[J].汽车零部件，2015（11）：13-17.

[6]胡亦峰.汽车安全带的作用原理[J].汽车与安全，2013（9）：84-86.

[7]徐素鹏，张玉芳.不同配制方法下剪切增稠液体的性能表征[J].硅酸盐通报，2011，30（4）：966-969.

[8]杨威，张明月，任雅楠，等.剪切增稠液体材料的研究现状及其在人体防护装备上的应用[J].中国塑料，2013（9）：1-5.

[9]国家标准.汽车安全带性能要求和试验方法[S].GB 14166-93，1993.

[10]陈潜，何倩云，刘梅，等.剪切增稠液的力学性能与机理[J]. 固体力学学报，2016，37（6）：518-537.