汽车安全带快速回卷及耐久功能试验机的一体化设计

陈吉清，张红明，张茂松

上海机动车检测认证技术研究中心有限公司，上海 201805

0 引言

汽车已成为人类日常出行的常规工具之一。伴随消费者对汽车质量关注度的提升，主机厂也越发注重自身车辆的可靠性评价。通过逐步修改、更新、完善与之相关的内部标准试验方法，利用对供应商试验室能力的定期评审，来确定其是否具备符合自身标准要求的检测水平。

通常，消费者会发现汽车装配的安全带随着使用频次的增加，回收功能逐渐变弱，甚至出现拉出后无法回卷的情况。当车内卷收器无法回卷，即使佩戴了安全带，也不能消除织带与身体之间的空隙，一旦遇到车辆急刹或被追尾等突发状况，汽车安全带将无法在有效距离内约束乘员，导致产生乘员伤害。为了避免类似情况的发生，主机厂都要求其供应商依据自身企业标准进行验证，无论在设计初期或成品认证阶段，都有相应循环耐久测试的考核。

1 汽车安全带国内外标准介绍

目前国内现行国家强制性标准GB 14166—2013、台湾安全基准26-安全带以及澳大利亚设计准则ADR 4/05-安全带，均参考或引用欧洲ECE R16中的技术要求与试验方法。

在企业标准中,多家国内主机厂的内部标准更接近德国大众编制的技术要求与试验方法，同时结合自身企业产品特点，做出部分适应性调整。美系、日系、韩系合资车企各自也有一套供内部执行的企业标准，与德系略有不同。

(1)强制性标准GB 14166—2013中对卷收器耐久试验的相关描述[1]：织带应以不高于30次/min的速度进行规定次数的拉出和回卷试验。对于紧急锁止式卷收器，每5 次循环应使卷收器锁止一次，并且锁止次数在5 种不同拉出长度上应相同，即拉出缠绕在卷收器上织带总长度的90%、80%、75%、70%和65%。但是，对于缠绕织带长度大于900 mm 的情况下，上述百分数应以织带可从卷收器中拉出的最后900 mm 长度为准。

(2)VW TL82500中对卷收器耐久试验的相关描述[2]：手动拉出及回卷卷收器25次循环;每个循环中，当织带被完全拉出时承受力F≥90 N;织带拉出速度为10～60 m/min;锁止时的动态峰值载荷为200 N≤F≤300 N。

(3)NISSAN DESIGN SPECIFICATION 86840NDS00安全带标准中第4-16-1条的描述[3]：快速回卷测试示意如图1所示，将卷收器模拟车身上的安装方式，在织带回收量的25%长度， 抽出100 mm长度的织带，再放开使其自动回卷。

图1 快速回卷测试示意

2 设备的设计思路

通过对标准的解读，区分两种测试方法可概括为：

(1)安全带卷收器耐久功能。可将卷收器织带正常拉出及回卷不同长度；同时具备车感加速锁止,带感加速锁止；静、动态载荷功能，并可长时间反复循环。

(2)安全带卷收器快速回卷功能。可将织带拉出100 mm，然后突然松开，使其快速自动收回到卷收器中，并长时间反复循环。

鉴于以上两种功用，本文主要通过耐久试验具备的共通点及卷收器原有特性开展。在快速回卷试验中，瞬间返回的织带会造成卷收器锁止，若不能解决解锁问题，则无法有效完成试验。

解决解锁问题的方法主要有两种：

(1)在下个循环开始前，对卷收器进行一次锁止状态下的“硬拉”后释放。

(2)在下次循环开始前，适当回卷织带并复位。而回卷织带需要通过一组驱动电机来执行，如果与耐久试验中的卷带电机共用则效率最高。

整体设计采用分层结构，布置区域由上至下确定各组模块功能并合理布局，互不干涉。

3 设备的机械设计开发

3.1 整体机架

机架整体[4-5]采用矩形管，机械区由上至下分5层布局，如图2所示。

图2 机架设计布局

第一层装配独立卷带电机安装板，以螺栓固定在机架立柱右侧。两端与机架外侧平齐。卷带电机安装块与卷带电机安装板上下平齐，以螺栓固定。

第二层装配测力缓冲机构安装板，以螺栓固定在机架立柱左侧。两端与机架外侧平齐。导向机构垫块与安装板上下平齐，以螺栓固定。

第三层装配加速部件固定底板，与机架纵挡两外侧平齐，以螺栓固定。将加速滑轨固定在底板上，通过伺服电机连接滚珠丝杆与滑轨连接后，形成一个可产生加速度的水平滑台。

第四层装配旋转支架固定板，四边与对应的两块机架底支撑杆四边平齐，以螺栓固定。气缸安装板与其对应的垫块平齐，以螺栓固定。气缸安装板垫块焊接在框架横拉杆里侧面上，与气缸安装板接触面位置攻螺纹将两者固定。

第五层装配测力安全带固定板，螺栓固定。机架下方地脚轮安装在框架四角处，均分布置。

3.2 关键器件结构

3.2.1 卷带筒

卷带筒端盖以内孔套在锁舌固定件外圆上，螺栓穿过其圆周孔拧在锁舌固定件内螺孔上，可将卷收器的带上件放置其中,如图3所示。

图3 卷带筒端盖及锁舌固定件

3.2.2 卷带电机

锁舌固定件轴承座以螺栓固定在伺服电机固定架上，确保锁舌固定件前端内孔与减速器输出轴同心。减速器以定位外圆与伺服电机固定架内孔配合，螺栓固定。

卷带电机正向旋转，通过卷带筒将卷收器中的织带逐渐拉出，卷绕在卷带筒表面。卷带筒反向旋转，卷收器则回卷相应长度的织带。

卷带电机总成如图4所示。

图4 卷带电机总成

3.2.3 测力缓冲机构

测力缓冲机构总成如图5所示。该机构集成滑块、力传感器、电磁吸盘、导轮、回位弹簧等。

图5 测力缓冲机构总成

导向测力轮装配安装板与滑块固定可沿导轨前后移动，后端吸板与电磁吸盘通过磁力吸合，前端固定的导销(外套缓冲及回位弹簧)在导向轮安装板前端孔的约束下使其只能作前后移动。

测力缓冲机构中的力传感器时刻监测力的变化，达到设定参数后，电机进行反转，此时织带开始被卷收器回收，通过往复循环至完成规定次数。当拉力过大时测力缓冲机构中的力传感器给出信号，导向缓冲机构中的电磁吸盘断电，缓冲作用启动，保护装置免受损坏。

3.2.4 导向测力机构

导向测力机构总成如图6所示。通过安装板固定导向测力轮，另一端用螺栓与力传感器的后端固定，安装板通过铜套以两根导柱与导向测力轮装配安装板连接(铜套与导柱间隙配合)。运动过程中当导向测力轮受到安全带往前的拉力时，带动导向测力轮安装板一起相对于导向测力轮装配板向前移动，力传感器受到压向力。当力值超出设定参数时，电磁吸盘断电失去吸力，吸板与导向测力轮装配安装板前后位置失去约束。在导向测力轮受拉向力时，通过导向测力轮安装板、力传感器固定螺栓、力传感器、力传感器固定螺栓将力传递到导向测力轮装配安装板，迫其一起克服弹簧力往前移动起到缓冲作用。同时力传感器将逐渐增大的力值读取出来，形成力值曲线。

图6 导向测力机构总成

3.2.5 水平加速组件

水平加速组件如图7所示。安装时，加速电机安装板与丝杆固定座两孔中心同心。装配后，滚珠丝杆带动螺母运行顺畅、无阻滞、噪声小。加速推杆两端根据所购滑轨的螺孔加工通孔，以螺栓固定。前端根据丝杆螺母固定孔加工螺孔与之固定。

伺服电机根据设定的转速转动，通过滚珠丝杆、加速机构带动安全带卷收器固定板快速向前，沿水平向移动，可使安全带自锁，随后卷带电机反转，将安全带织带回卷至预设位置。

图7 水平加速组件

3.2.6 耐久用安全带固定底座

安全带固定底座如图8所示。安全带固定板为通孔，用螺栓固定，侧面销孔以销钉与旋转支架(上)销孔旋转配合，旋转角度调节后，用两颗螺栓沿旋转支架腰形槽将两者固定，调节范围为±30°。

卷收器安装至固定板后，形成一体。

图8 安全带固定底座

3.2.7 安全带织带加紧机构(夹持板)

织带加紧机构如图9所示。安全带夹持下板左右两侧固定连接两个滑块与主机上的垂直导轨滑动连接。两个电磁吸盘及4根夹持导柱均固定在安全带夹持下板上。安全带夹持上板被4根夹持导柱约束只能相对于安全带夹持下板作前后移动。夹持橡胶分别粘贴在安全带夹持上、下板的相对面上，用来夹持安全带织带。

图9 织带加紧机构

吸板通过球面垫圈被连接在安全带夹持上板上，可随球面在一定范围内作任意向的相对于自身平面(水平面)摆动，易于吸板完全贴合电磁吸盘。吸板弹簧可避免安全带夹持上、下板在夹持橡胶夹紧安全带后过于靠近，导致吸板和电磁吸盘刚性碰撞而损坏电磁吸盘。

吸板与电磁吸盘通电贴合，电磁吸盘产生的磁力吸住吸板使夹持上、下板通过夹持橡胶紧紧夹住安全带织带不能松开。

完成夹持要求后断电，电磁吸盘松开吸板回位。缓冲弹簧可缓冲回位弹簧产生的冲击力。

3.2.8 摇臂电机

摇臂电机总成如图10所示，电机摇臂上的推杆做上下往复运动。当两根推杆处于垂直位置时，即一根处于最低位置，另一根则处于最高位置。最低位置的推杆带动与它连接的安全带夹持板也处于最低位置，最高位置的推杆带动与它连接的安全带夹持板也处于最高位置，两者正好相差100 mm。

图10 摇臂电机总成

3.2.9 气缸组件

气缸组件如图11所示。气缸为对夹持板在夹紧前，提供初始动力，待安全带夹紧装置被电磁吸盘闭合后，气缸活塞收回。夹持板带动织带上行，完成一个测试循环。共有4个气缸配对4个夹持板。

图11 气缸组件

3.2.10 快速回卷用固定测力板

固定测力板总成如图12所示。固定板由上下两部分组成，中间力传感器通过两端螺栓连接，两侧以两根导销导向。导销与上固定板为过盈配合，与下固定板通过导销套为间隙配合。

图12 固定测力板总成

在循环过程中，力传感器始终监测力值变化。当出现大于设定参数的情况，其对应的织带夹持板瞬间断电，可松开织带，同时卷带电机执行回卷部分行程再回位，用于尝试解锁卷收器。当多次发生超出设定参数时，与其对应的织带夹持板、回卷电机及气缸不在工作，此时软件提示产品出现故障。

设备整体结构如图13所示。

图13 设备整体结构

4 设备应用效果

执行卷收器耐久测试时，通过控制卷带电机与水平加速电机的转速，模拟车感加速及带感加速效果，可使卷收器发生锁止。卷带电机接近所设最大卷绕长度时，将转速放慢，当织带被完全拉完后，电机继续旋转适当角度，此时测力缓冲机构中的力传感器所受压向力逐渐上升，当达到90 N后，卷带电机开始回卷，实现静态载荷力。

当水平加速电机启动使卷收器以车感形式锁止时，卷带电机同时旋转，受动态冲击的作用影响，力传感器采集到的压向力快速上升，由此行程冲击载荷即动态载荷。当力值在200～300 N范围内时，卷带电机缓慢回卷，将动态载荷降至90 N，并稳定稍许时间。通过半开环控制，旋转电机自动采集上一次冲击载荷时的旋转角度，适当情况下做出修正[6]。

在执行快速回卷测试时，将测力缓冲机构向内侧推动，同时将水平加速滑台调整至最右侧位置，此时织带可穿过耐久试验区，与之不发生干涉。此时夹持板夹取状况稳定，回弹到位，未出现滑脱情况，夹持橡胶为损耗件，可定量更换。

5 结束语

耐久类设备的可靠性，需要一个漫长的验证周期。一方面，通过整合各种不同类型的试验标准，从中找出共通点，理解标准中每条简短技术要求背后的真实方向与目的，利用合理布局、分层设计、精准控制才能做出具备价值的产品。另一方面，每个器件的组合度与自身耐久性是否能满足长期试验，是否在后期需要进行小范围修正，则需要通过多轮实测后方可得到结论。目前，该设备各项性能指标已达到设计需求，且处于正常使用中。