正撞工况下动态锁舌性能研究和优化方案

施志平，陈虹吉，周澄靖，潘志红，邓 强，邵为楠

（东风汽车有限公司东风日产乘用车公司技术中心，广州 510800）

前言

安全带是汽车被动安全中最重要、最有效的乘员保护装备之一［1］。随着汽车行业的高速发展，安全带领域的技术也日趋成熟，各生产商相继推出前沿产品：主动式安全带、低摩擦导向环、动态锁舌和充气式安全带等［2-3］。其中，动态锁舌以高性价比的优势，迅速获得各大主流OEM的认可，其配置率逐年上升，在2019年达到了27%，如图1所示。另外，根据C-NCAP评价规则和近年来各评价车型的失分表现，乘员的胸部保护依然是碰撞中乘员保护的重点［4］。动态锁舌作为旨在改善胸部保护的产品，研究其具体的性能表现具有重要意义。

目前，行业内有少部分关于动态锁舌的研究文献。其中，文献［5］中公开了一种典型的动态锁舌，详细说明了其构造和工作原理，目前市面上大部分动态锁舌的构造和工作原理均与其类似。文献［6］中通过3种方法对动态锁舌的锁止功能进行建模仿真，对比分析了试验与仿真结果，得到精度最优的一种方法，为动态锁舌仿真精度的提升提供了参考；文献［7］中基于某车型，在调整安全带限力和气囊参数无法明显减小胸压量的前提下，使用动态锁舌成功优化了胸部伤害值，但该文献仅展示了试验结果，对于动态锁舌如何影响假人胸部伤害值，没有展开详细的分析。本文中在以上文献的基础上进行了进一步的研究。

本文中通过台车试验和LS-DYNA仿真软件，量化正撞工况下动态锁舌对假人胸部压缩量的影响，分析产生该影响的原因。同时，探究如何优化动态锁舌的参数，以获得更优的约束性能。

图1 动态锁舌配置率

1 安全带总成和动态锁舌介绍

1.1 安全带总成

根据法规要求，乘用车（M1类）前后排座椅均需配备三点式安全带［8］。三点式安全带主要由以下构成件组成：卷收器Retractor、导向环Through ring、织带（包括腰带Lap belt和肩带Diagonal belt）、锁舌Tongue、带扣Buckle和固定端片Anchorage bracket，如图2所示。

图2 三点式安全带主要构成件

图3 织带关键位置标识

1.2 动态锁舌的结构与原理

普通锁舌由金属本体和包胶组成［9］，安全带织带可在锁舌本体上端的织带贯穿孔内自由滑动，如图4所示。

图4 普通锁舌构成件示意图

动态锁舌（dynamic lock tongue，DLT），其主要构成件为锁舌本体（含金属本体和包胶）、锁止凸轮、旋转杆、回转弹簧和饰盖［5］，如图5所示。动态锁舌与普通锁舌的核心差异为：动态锁舌增加了锁止凸轮。由于不同的锁舌供应商提供的解决方案存在差异，有的锁舌没有旋转杆、回转弹簧和饰盖等部件。

图5 动态锁舌构成件示意图

在动态锁舌初始位置，锁止凸轮与锁舌本体之间有一定间隙，保证织带能够自由穿过锁舌本体上部的织带贯穿孔。此时，织带与动态锁舌的配合关系和织带与普通锁舌的配合关系相同，如图6（a）所示。当动态锁舌两端的织带存在正向力差时，即当腰部织带（B5处）载荷大于肩部织带（B4处）载荷特定值时，锁止凸轮顺时针翻转，凸轮尾部为锁舌本体啮合，压住织带，实现锁止，如图6（b）所示。

图6 动态锁舌状态

碰撞发生时，假人前移，织带在锁舌贯穿孔内滑动，锁舌两端的织带力差（B5-B4处）不断上升，当该力差达到锁舌锁止触发条件时，动态锁舌作动，实现织带锁止，理想情况下此阶段织带无滑移。最后，由于织带、锁止凸轮和锁舌本体接触面的物理性质限制，锁止力存在一个极限值；当力差超出这个极限值时，织带可能存在第2次滑移的现象，某一例动态锁舌工作的F-S曲线如图7所示。

图7 动态锁舌的工作F-S曲线

2 动态锁舌对胸部伤害值影响理论分析

2.1 胸部评价方式和受力模型

根据2018版C-NCAP评价规则［4］，完全正面碰撞试验中假人胸部的评价指标主要考察胸部压缩量（chest deflection）和胸部黏性指数VC（viscosity criterion）。在实际试验的过程中，胸部压缩量是一项容易失分的指标。因此，以下对胸部伤害值的讨论主要集中讨论假人的胸部压缩量。

在正面碰撞过程中，假人胸部的受力过程变化较为复杂，它除了受到安全带拉力外，还受到头部与下躯干所施加的约束和安全气囊与转向盘等所施加的外力，以及肋骨弹性变形产生的力。同时，各个力基本都有各自的空间坐标系，在列式过程中需要较复杂的空间转换［10］。考虑在正撞工况下，胸部重点考察X向的影响，而对X向有影响的力主要是安全带肩带力、安全气囊和转向盘等前方物体施加的力，所以简化的假人胸部的受力模型如图8所示。

回到村路上，没买到米的牛皮糖步子越走越慢。眼皮耷拉着，目光不离脚尖，寻着路走，好像丢了钱。看看走到自家的八斗丘旁，牛皮糖忽然中了邪，眼睛一亮，手舞足蹈起来。后来就跨过那条两尺高的田埂，跳到了八斗大田中，蹲了下来。五月的大田里空空荡荡，零星的苜蓿花瘦弱地开放着。这里那里的硬土上开着坼，像无数条蚂蝗巴在饱经沧桑的皮肤上。一条污渍斑斑的水沟，从猴头岭上的工业园下来，巨蟒一般越过八斗丘，拐进旁边一条水渠，扭向洞庭湖。牛皮糖从不抽烟，他蹲在那里没有事干，就只是专注地盯着那条沟，一动不动，把一种心事涂抹在迷蒙的田野上，很久。

图8 假人胸部受力模型

假人胸部压缩量D与所受合力F合可表示为

式中：F合为胸部所受正向压力，N；FB3为安全带肩带B3侧载荷，N；FB4为安全带肩带B4侧载荷，N；FAB为气囊作用于假人胸部的载荷，N；∠a为FB3与F合夹角，（°）；∠b为FAB与F合夹角，（°）；∠c为FB4与F合夹角，（°）；k为假人胸部弹性系数。

图9 胸压量和安全带力的时间历程

2.2 动态锁舌对胸部产生影响的机理分析

图9为按照C-NCAP要求实施的完全正面碰撞试验工况下，主驾配置普通锁舌的假人胸部压缩量和安全带力（肩带上部力FB3、肩带下部力FB4和腰带力）的时间历程。

图中，①为预紧阶段，②为限力阶段。在整个碰撞过程中，肩带力FB4与腰带力的变化趋势基本重合，这是由于在锁舌处，肩带和腰带存在滑动，两者间的力传递仅受到动摩擦力的影响，故出现同步变化的趋势。另外，根据该处织带滑动的摩擦痕迹和肩带与腰带力值的大小，可以判断FB4上涨是由腰带力的传递引起。同时，由图可知，从40 ms开始，安全带限力开始起作用，FB3基本维持不变，而FB4继续上升。在限力初期，脑部压缩量也继续增加，此时假人胸部未与气囊接触，主要受安全带力影响，说明此阶段假人胸部压缩量主要受FB4力的影响。可见，降低胸部压缩量可从根本上抑制FB4力的增加，最直接的方法是切断腰带与肩带FB4处的力传递。

结合1.2节中所述，动态锁舌作动后，锁止凸轮和锁舌锁止处的受力模型如图10所示。

图10 动态锁舌受力模型

根据杠杆原理，锁止凸轮的受力可表示为

式中：l1为腰带力对应的力臂，m；N为凸轮施加的正压力，N；l2为正压力对应的力臂，m。

锁舌锁止处各力的关系可表示为

目前行业内安全带织带的材料均为涤纶，其与树脂摩擦因数μ约为0.3～0.5［11］。在设计中，为使锁舌能实现正常自锁，须保证μ1，因此可得

即在织带和锁舌的物性范围内，其摩擦力大于腰带力F腰带力，可防止肩带向腰带滑动，从而切断两者间的力传递，抑制B4处肩带力的上涨，改善胸部的受力情况和胸压量。

3 动态锁舌对胸部伤害值影响试验验证

结合上面的分析，通过台车实车试验，验证动态锁舌对胸部伤害值影响的机理，分析动态锁舌对假人姿态和胸部压缩量的具体影响。

3.1 试验设置

本文中基于某SUV车型，采用控制单一变量法，在相同工况下，进行50FLP-副驾驶席动态锁舌正撞台车试验。CASE1为试验对照组，安装普通锁舌；CASE2安装动态锁舌，其余设置与CASE1相同。试验具体条件如表1所示。

表1 正撞台车实车试验设置

试验前后假人的状态如图11所示。

图11 试验前后状态

3.2 动态锁舌对安全带力的影响

试验结果如图12和图13所示，其中图12为安全带B3处肩带力曲线，图13为腰带力和B4处肩带力曲线。

从图12可知，在动态锁舌和普通锁舌工况下，B3处的肩带力无明显差异，说明动态锁舌对该力影响较小，因为该力值主要由限力杆规格决定。从图13可知，在40～55 ms之间，为限力初始阶段，由于卷收器内部传动方式转换和限力杆的特性，此时肩带力载荷曲线一般都会呈现冲高→回落→平稳的趋势，同

时此阶段腰带力从小于肩带力的状态逐步上升，转化为大于肩带力的状态，两者间力差不断增大。55 ms左右，B4处肩带力发生明显的变化。对于普通锁舌，B4处肩带力开始进入上升趋势，且上升趋势与腰带力相同，说明此时B4处肩带力上升主要由腰带力引起；而55 ms之后动态锁舌的B4处肩带力开始下降，说明动态锁舌在此时实现了锁止。同时，动态锁舌的腰带力峰值明显高于普通锁舌，这与前文所述的理论分析吻合，验证了理论分析与试验的一致性较好，说明动态锁舌能有效降低B4处肩带力。

图12 B3处肩带力对比

图13 B4肩带力与腰带力对比

3.3 动态锁舌对胸部压缩量的影响

试验得到的假人胸部压缩量曲线如图14所示。由图可知，在整个过程中，胸压量有2个峰值，第1个峰值主要由安全带力引起，第2个峰值由气囊反力引起。由于肩带力FB4的下降，有效降低了第1个峰值，改善了胸部压缩量2.35 mm。另外，由此也可知，后续若要继续改善胸压量，只能通过减小气囊反力来实现。

综上，结合理论分析与实车试验可知，动态锁舌在正面碰撞中，能有效降低B4处肩带力，改善假人胸部压缩量，降低假人的胸部伤害值。

图14 胸压量对比

4 动态锁舌单品设计的优化

上面说明了动态锁舌在台车上的约束性能，它能有效改善假人的胸部伤害值。下面主要研究从单品层面如何更好地设计动态锁舌的各参数。本文中定义响应时间和响应保持力2个参数。响应时间是指从发生碰撞时刻开始到织带被完全锁止的总时间；响应保持力是指织带从锁止到再次滑移时所须突破的力差极限值。

以下研究使用单一变量控制法，分别调整响应时间和响应保持力，结合LS-DYNA仿真，定性分析每一个变量对假人胸部伤害值的影响。

（1）响应时间的优化

响应时间体现了锁舌实现自锁响应的灵敏度。仿真时首先使用普通锁舌进行仿真，获得B5腰带力大于B4肩带力的时间，约在碰撞发生50 ms时刻。因此，设定变量进行仿真时，锁舌锁止时间应大于50 ms。取响应时间T为60、65和70 ms 3种工况对50FLP-副驾驶席进行仿真，通过胸压量来衡量响应时间对动态锁舌约束性能的影响。仿真条件如表2所示。

表2 正撞台车仿真设置（响应时间）

仿真结果如图15所示。由图可见，在一定条件下，响应时间越短，动态锁舌能越早缓解B4处肩带力的上涨，假人胸部压缩量越小，动态锁舌的约束性能越好。

（2）响应保持力的优化

图15 响应时间对胸压量的影响

响应保持力体现了锁舌维持自锁响应的能力。仿真时首先设定织带与锁舌的静摩擦力为无穷大，获得在碰撞过程中肩带力与腰带力的最大力差值约为6 kN，因此，设定变量进行仿真时，响应保持力应小于6 kN。取响应保持力F为3、4和5 kN 3种工况进行仿真，通过胸压量来衡量响应保持力对动态锁舌约束性能的影响。仿真条件如表3所示。

表3 正撞台车仿真设置（响应保持力）

仿真结果如图16所示。由图可见，在一定条件下，响应保持力越大，动态锁舌能更稳定地维持自锁状态，假人胸部压缩量越小，动态锁舌的约束性能越好。

图16 响应保持力对胸压量的影响

综上，对于影响动态锁舌锁止性能的两个参数，响应时间越短，动态锁舌约束效果越好，响应保持力越大，自锁式锁舌约束效果越好。以上的分析仅为初步的定性分析，后续将进行更为全面和具体的定量分析。

5 结论

本文中通过理论分析和试验验证，对正撞工况下动态锁舌对假人胸部压缩量的影响及其单品性能优化方案进行研究，量化了其对安全带力和胸部压缩量的影响，得出如下主要结论：

（1）动态锁舌能有效切断腰带向肩带的力传递，使B4处肩带力下降，从而降低假人胸部综合载荷，改善其胸压量；

（2）在本文试验条件下，动态锁舌在55 ms时实现锁止，有效降低B4处肩带力约1 kN，改善了假人胸压量2.35 mm；

（3）通过缩短动态锁舌响应时间，提高动态锁舌锁止保持力，能有效提升动态锁舌单品性能，使其发挥更优的整车约束性能。

本文的研究为动态锁舌约束性能优化和实际应用具有一定的参考意义，但本文中对动态锁舌单品优化的研究还处于仿真分析阶段，后续应结合台车试验进行更深入的研究。