预张紧限力式安全带解耦结构的选型和应用

1 安全带卡滞问题产生机理

1.1 安全带预张紧和限力装置结构介绍

安全带预张紧装置的作用是当汽车发生碰撞的瞬间，在乘员惯性产生前通过迅速回收织带来消除安全带和人体之间的间隙，目前市场主流采用塑料蛇形管式，通过塑料管咬合驱动轮叶片推动，后通过塑料管自身特定位置易变形折断碾碎等设计卸除卷收器回转阻力，如图1.1所示。

安全带限力装置的作用是在乘员惯性产生后，当安全带约束力达到一定数值时得到释放，缓解对乘员胸部的压力。目前市场主流采用如图1.2所示结构。

当碰撞发生时，安全带锁止系统会锁定转轴头部，安全带约束力不断上升达到限力芯棒额定值后芯棒开始扭转，转轴主体和转轴头部产生相对运动释放位移并将约束力值维持在限力芯棒额定值的水平，从而实现限力功能

。

1.2 卡滞问题产生的工况

安全带预张紧装置作用在转轮上的力和乘员惯性作用在转轴上的力是转向相反的两个力。由于转轴与转轮是刚性链接，如两者的作用时间有重叠则会形成相互抗衡的关系。例如在侧碰、偏置碰、钻卡等碰撞工况中传感器检测到碰撞信号滞后从而导致预张紧系统启动较慢

的情况。那么预张紧传动装置在预张紧结束后无法与转轮转轴实现分离，则进入限力阶段之后转轴需要同时克服限力杆及该阻滞力，从而增加乘员胸部伤害。具体失效情形如图1.3所示。

“对！因为你走到下一条路，下个路口，只有下个山头，你才知道它下面的选择是怎么样，这里的风景跟前面不一样。有些机会是你以前想象不到的，但时间没有变，工作还是没有变。”紧凑的语速和敏捷的思维背后，我能感受到他的一丝疲惫。

由此引入静态点爆实验方式进行评估，试验设置如图3.2所示。

2 解耦结构方案的提出和选型

2.1 解耦概念的提出和潜在失效模式

根据上一章节的分析，优化目标是在出现卡滞问题的工况时，避免预张紧传动装置与转轴的干涉。则需要将转轮和转轴间的刚性链接结构变成解耦结构，即在合适时间切断链接，使得任何来自预张紧装置的状况都无法影响到安全带进入限力之后的限力表现。如图2.1所示，预张紧阶段约束力传递为路径1，进入限力阶段后传递为路径2。解耦结构应在预张紧阶段结束后，进入限力阶段前起效。

接着来明确解耦结构的潜在失效模式，利用LS-Dyna和Abaqus仿真工具选用两款欧洲著名主机厂的主流车型，采用US-NCAP和E-NACAP碰撞标准设定解耦过早和解耦失败的失效情形

，对前后排假人胸部伤害进行评估。仿真结果总结为表2.1。

根据仿真结果进行总结：如解耦起效过早，就会造成预张紧效果达不到理想状态即预张紧回拉位移过小和预张紧力值不够。那么一方面会造成没法在人体相对移动产生前理想地束缚躯体；另一方面则是由于预张紧力不足损失了前期的约束能量，造成碰撞后期阶段人体接触到气囊时受到更大的相互作用力

。如解耦起效过晚或失效，那么就是整个优化方案失效。异常卡滞的问题继续存在，影响胸部性能指标。

"数据的数量、速度、种类在改变，计算机技术也在改变，而这正是让数以万计的商业应用成为可能的技术平台。"

2.2 解耦结构方案的提出和选型

方案一：扭断结构如图2.2所示，转轮底部做圆周均布柱状特征，转轴主体上做相应凹槽特征。装配时两者类似孔轴配合，轴向则新增使用星形卡环或者过盈插销来实现轴向固定。当转轮和转轴主体间相对扭矩达到克服扭断柱状特征所需扭矩时，该结构实现解耦。通过调节柱状特征，包括材料，扭断面特征，截面积大小(圆柱直径,圆柱个数)等参数实现扭断所需力矩的可调节性。

马国平凑到汪队长跟前，近乎低声下气：“我说老乡……巾帼英雄别样红，英姿飒爽是女兵！”马国平讪笑着，“老乡的福地，我还真舍不得走。”

方案三：发条分离机构

如图2.4所示，转轴主体上设计凹槽特征安放发条，发条沿着转轮内部缠绕，通过线束抗变形产生的作用在转轮内部的张力实现转轮和转轴主体的链接。织带正常拉出和回卷带动转轴运动时，两者间形成的惯性矩差异不足以产生克服此张力即无法拧动发条从而转轮和转轴主体可以同步旋转。而当预张紧装置启动后，转轮和转轴主体之间产生了足够惯性矩拧动发条产生相对运动并使得发条边缘线束折弯变形从而实现分离。

方案二：螺旋楔形面分离结构

如图2.3所示，转轮内圈和转轴主体外圈分布做螺旋楔形面特征，装配时两者楔形面贴合，轴向则使用压簧片做限位机构。当转轮和转轴主体间产生相对扭矩到足以克服压簧片轴向力时发生相对运动，转轮按楔形面所决定的运动轨迹产生轴向位移，在轴向上和推动机构产生错位实现分离。通过调整压簧片结构的设计来达到系统所需的压溃力值，调节生产工艺相对简单和稳定的压簧片来实现可调节性。

方案四：离合机构如图2.5所示，转轮上安装一个棘爪部件，转轴主体上设计齿形特征，织带正常拉出和回卷带动转轴运动时，棘爪产生的离心力不足以使其甩出从而转轮和转轴主体没有产生连接。而当预张紧装置启动时，传动件高速推动转轮产生瞬时加速度，棘爪迅速甩出并与转轴上的齿形形成啮合实现预张紧效果，而预张紧结束后瞬时加速度减小，棘爪解锁使得转轮和转轴重新分离。通过调整棘爪的转动点和重心位置实现可调节性。

对上述方案结构进行评估，首先从产品的功能性上采用减分评价系统来进行评估。第一步列出解耦结构起效所受到的限制和可能出现的缺陷项：解耦力矩，解耦时间，解耦距离和解耦唯一性。第二步采用成对比较评估方法

对上述项目进行权重分配。分配结果如下表3.2所示。

第三步列出潜在的失分项，如下表3.3所示。潜在失分项目为解耦结构是否可调，解耦结构是否可以不受碰撞时乘员加速度大小的影响，是否可以不受解耦角度的限制，解耦力值是否可调，解耦速度是否可调以及解耦的精确性是否可以得到保证，以及在不同工况下解耦结构设计的精确性可否保证。如若满足该项，则不计入扣分，如果无法满足所列项目，则结构方案将按每项的权重乘以该方案的加权因子形成扣分。

最终得到每个结构方案的失分情况如下表3.4所示。并由此选择方案一作为解耦结构方案，进行相关研究和应用。

3 解耦结构的应用

基础上述理论分析，第一步需要明确现有预张紧限力式安全带系统所对应的扭矩1及扭矩2。即评估安全带系统在没有受到乘员惯性力矩的作用，全部由点爆预张紧回拉收紧形成的扭矩1。以及有一定乘员惯性作用力形成的预载荷扭矩和预张紧形成扭矩同时作用所形成的将将出现卡滞问题的扭矩2。

舌癌是口腔癌中最常见的恶性肿瘤，80%以上的舌癌病理类型是舌鳞状细胞癌(Tongue squamous cell carcinoma，TSCC)。TSCC容易局部复发和发生淋巴结转移[1]，预后较差，因此，研究TSCC的发生及转移机制对于TSCC的预防和治疗具有重要意义。

李庚先生自幼喜爱中国古典文学艺术，对绘画更加痴迷，秉承其父李可染训教，钻研水墨，取得了丰硕成果，在国际上声誉日隆。清华大学教授、李可染画院副院长王鲁湘赞其“血液中流淌着父亲李可染先生对神秘崇高的宇宙精神悠然神往的可贵品质。他对自然神性有一种发自灵府的会意……山水风云的无言大美，水墨语言的玄化鸿蒙，在他看来都是道通天地的律动，他所做的就是‘从而和之’，让气韵发自笔端。李庚的水墨画把父亲早年的墨戏和晚年的抽象推到了一个风神飘举的境界，其绘画作品玄韵淡泊，情思淹济，风气韵度似父亲而更恣纵迈达”。

将锁舌固定在一个上下滑块上，滑动滑块来调整锁舌上下位置进而调节织带松紧程度，在安全带卷收器出口处放置一个张力型力值传感器用来测量织带上的张紧力即卷收器力F

。

安全带表现和解耦结构起效扭矩的关系如图3.1所示。从乘员惯性作用力角度分为三个阶段：没有乘员惯性作用力产生、有惯性作用力产生但不足以激活解耦结构、有足够激活解耦机构的惯性作用力产生。对应的安全带内部情形则分为两种：一种为预张紧装置传动件能够完全脱离或到达尾部区域；另一种为传动件无法克服惯性作用力带来的阻碍到达目标区域产生卡滞问题。将对应时刻的几个临界扭矩定义为扭矩1、扭矩2和扭矩3。

其中情形三：预张紧装置点爆启动时已有较大乘员惯性作用力产生，预张紧推动机构无法完全打出在转动轮回转时产生阻碍，进入限力阶段后强行分离形成不可控的额外阻力，即产生卡滞的问题工况。

而解耦结构的起效扭矩应则满足一定范围，即最小扭矩应大于扭矩1，以确保在大多数工况下不会影响和造成预张紧功能的损失；而最大扭矩则理想情况下应小于扭矩2即一旦预张紧传动件无法顺利打出到尾部区域则解耦机构一定起效。

作业摊铺每日规模为2 000 t，以堆高5 m为1层，每日作业面可以控制在400 m2，即40 m长、10 m宽的条状堆体。上午完成40 m×10 m×2.5 m的作业，然后继续完成两侧作业，以此类推构建整个污泥作业堆体，摊铺效果如图2所示。

那么织带正常佩戴状态无额外载荷情况下进行预张紧点爆，此时由预张紧回拉形成的卷收器力F

乘以其到转轴中心的力臂就是扭矩1。而通过锁舌位置调节施加模拟乘员惯性作用力的预载荷F

，不断调节所施加F

直至探测出开始形成卡滞问题的工况，在此情况下进行预张紧点爆所形成的F

乘以其到转轴中心的力臂就是所求扭矩2。

如《真想变成大大的荷叶》一文出现了较多形容词描绘事物特征的短语，“透明的雨滴”“弯弯的新月”“清凌凌的小河”等，引导学生阅读分辨，感受形容词的准确运用，能将事物写得更形象具体，鼓励学生用不同的形容词描写事物特征。像“透明的雨滴”还可说“亮晶晶的雨滴”；“清凌凌的小河”可说成“清澈透明的小河”；“大大的荷叶”可说成“碧绿碧绿的荷叶”。

选用现有预张紧限力式安全带系统，从100N开始以30N为一个梯度逐步增加到250N。得到F

测量曲线如图3.3所示。

可以读取到随着乘员惯性作用力即预载荷的增加，预张紧过程的持续时间也会相应增加因为产生了预张紧传动过程中的相持阶段。力值的突然跌落则对应着预张紧传动装置仍然完成了所有行程并没有发生卡滞，而力值没有出现跌落则意味着在预张紧结束后织带仍处于绷紧状态，预张紧传动装置和转轮发生了干涉形成了卡滞。通过这样的实验可以较为准确地得出现有预张紧限力式安全带系统对应的产生卡滞的情形为预载荷达到180N(对应织带卷容量为实验设置的750mm)。即解耦机构必须同时满足0N预载荷不启动和180N预载荷必须启动的条件，才能够解决卡滞问题。

如图3.4所示，是预张紧传动过程中的力矩关系。其中F

为实验测量所得，L

是指受力织带到转轴中心的距离，主要由织带卷容量决定。将W.O.S.(织带剩余量)750mm(实验设置值)代入阿基米德螺旋线变形公式(3.1)中得到在该W.O.S. 情况下织带缠绕在转轴上的圈数，乘以织带厚度T加上转轴半径R即可得到力臂L

, 本文研究案例中约为25mm。

(3

1)

根据实验结果得知0N预载荷对应的F

峰值约为3.2kN;而临界值预载荷180N对应的F

峰值约为3.7kN。采取简易计算乘以力臂可以得到所选解耦结构应用的目标范围：最小扭矩应大于80N·m，最大扭矩应小于92.5 N·m。

[1]郭成刚,伏春波.基于圆轴扭转理论的安全带限力杆设计[J].汽车零部件,2012(07):60-62+73.

[2]W. -M. Choi, H. -Y. Jeong. Design methodology to reduce the chest deflection in US NCAP and EURO NCAP tests.[J]. International Journal of Automotive Technology, 2012, Vol.13 (5), pp.765-773.

[3]Mages M,Seyffert M,Class U. Analysis of the pre-crash benefit of reversible belt pre-pretensioning in different accident scenarios. Proceedings of the 22th ESV-Conference. 2011.

[4]Infantes E,Schaub S,Kramer S,et al. Evaluation of occupant protection during the crash phase considering pre-crash safety systems-results from the ec-funded project assess.2013 ESV Conference. 2013.

[5]刘艳红,李颖,贾哲. 基于“螺旋”的机械基础课程内容结构重构[J].职业,2019(22):28-29.

[6]Weixiong Yang,Yuqi Wang,Yikang Li,Jianlong Wang,Tinghai Cheng,Zhong Lin Wang.I ntegrated flywheel and spiral spring triboelectric nanogenerator for improving energy harvesting of intermittent excitations/triggering[J]. Nano Energy,2019,66.

[7]Verbeeck J,Spitzer E,de Vries T,van Es G A,Anderson W N,Van Mieghem N M,Leon M B,Molenberghs G,Tijssen J. Generalized pairwise comparison methods to analyze (non)prioritized composite endpoints.[J]. Statistics in medicine,2019,38(30).