葛亮， 劉微靜

(奧托立夫(上海)汽車安全系統(tǒng)研發(fā)有限公司，上海 201800)

0 引言

安全帶是車用乘員保護系統(tǒng)中最直接也是最主要的部件。安全帶的主要作用是在車輛加速度(減速度)、角度(包括傾斜、翻滾)、以及織帶拉出速度超過設定閾值時，禁止織帶被繼續(xù)拉出，從而通過織帶給乘員提供約束，避免乘員撞擊到前方物體，如方向盤或前排座椅等。在當前的主流設計中，車輛加速度和角度感應主要通過內置于安全帶的一個鋼珠來實現(xiàn)，稱為車輛敏感件。在車輛加速度或傾斜角度超過閾值時，鋼珠從球座中脫出，撥動撥爪，觸發(fā)鎖止機構動作。織帶拉出速度主要依靠芯軸上的離心塊，稱為織帶敏感件。當織帶被快速拉出時，芯軸在織帶的作用下快速轉動。由于離心塊被安裝在芯軸側面的偏心位置，在離心力作用下運動，觸發(fā)鎖止機構動作。車輛敏感件與織帶敏感件觸發(fā)的鎖止機構為同一套鎖止機構。鎖止機構采用棘輪原理，棘齒在安全帶框架上固定不動，棘爪安裝于芯軸上，未觸發(fā)時隨芯軸轉動。當鎖止機構被觸發(fā)后，棘爪伸出，鉤住安全帶固定框架，阻止芯軸轉動，從而實現(xiàn)鎖止功能，織帶不再拉出。

盡管該系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性在實際生產(chǎn)中得到驗證，但仍然存在以下幾個難以改善的問題:(1)棘爪伸出位置與棘輪齒的位置需要高度配合，否則易出現(xiàn)齒間對碰、滑齒、卡死等嚴重問題。這給裝配和零件穩(wěn)定性提出了極高的要求。(2)織帶敏感件依靠離心力工作，無論織帶被快速拉出還是被快速放回，都會動作。因此當乘員解開安全帶后，織帶在卷簧的作用下快速收回時，有一定概率被鎖死，導致乘員下次使用時無法拉出織帶。這種現(xiàn)象稱為Back Locking。該問題由設計原理導致，目前主要供應商都沒有較好的解決方案。(3)車輛敏感件為自由運動的鋼珠，在車身運動中，極易由于震動而出現(xiàn)噪聲。在當前整車噪聲控制越來越好的環(huán)境下，該問題日漸突出。(4)考慮到乘客舒適性需求，主機廠對鎖止閾值的誤差范圍要求越來越嚴格，當前機械系統(tǒng)受制于零件和裝配工藝，無法滿足部分主機廠要求。(5)為適應主動安全系統(tǒng)發(fā)展，越來越多的主機廠提出了電子車輛敏感的概念，通過傳感器感知車輛狀態(tài)并通過執(zhí)行機構控制觸發(fā)，當前設計不能滿足這一未來市場需求。

考慮到近年來圍繞現(xiàn)有鎖止系統(tǒng)的改良和提高零件生產(chǎn)及裝配水平的工作已逐漸接近極限，從整體角度重新考慮新的適用于未來市場的鎖止系統(tǒng)已經(jīng)迫在眉睫。作者將探討一種鎖止系統(tǒng)方案，該方案裝配和加工精度要求較低，工作噪聲小，極大緩解Back Locking現(xiàn)象，且可適用于電子化安全帶，配合電子鎖止系統(tǒng)。

1 結構設計

新系統(tǒng)主要結構如圖1及圖2所示。滾針保持架1兼有3個功能：(1)保持滾針3的位置和移動方向。(2)其圓盤狀的齒形結構可配合現(xiàn)有的鋼珠車輛敏感件，也可改為齒輪或其他形式，配合電子驅動機構，實現(xiàn)電控鎖止。(3)為C形彈簧2提供結構支撐。C形彈簧2的作用是提供向心的彈簧力，在非鎖止狀態(tài)下，確保滾針3貼合在芯軸5上，避免誤鎖止或噪聲。滾針3可在保持架或芯軸的帶動下作徑向移動。當滾針同時與鎖止環(huán)4和芯軸5接觸時，在自鎖效應下，確保芯軸被鎖止。鎖止環(huán)4固定于框架上，鎖止時，其內圓面與滾針接觸，并承擔鎖止時來自于織帶的扭矩。芯軸5左側軸頭部分弧面可推動滾針向外運動，直到接觸到鎖止環(huán)的鎖止面，此時芯軸被鎖死。元件6為框架。

圖1 鎖止原理

圖2 組裝結構

2 理論分析

該套系統(tǒng)可實現(xiàn)的功能包括：車輛敏感鎖止，織帶敏感鎖止;同時大幅降低Back Locking概率，即使發(fā)生也極易消除。

(1)車輛敏感鎖止。保持架頂端的齒盤可配合傳統(tǒng)車輛敏感零件。當車輛狀態(tài)超過閾值時，車輛敏感件伸出棘爪，卡住保持架齒盤上的棘齒，阻止保持架隨芯軸轉動。此時，如芯軸逆時針轉動，滾針會在曲面作用下，沿徑向向外運動，直到與鎖止環(huán)內圓面接觸，此后在摩擦角的作用下，保持芯軸、滾針與鎖止環(huán)三者固定，達到鎖止效果。如將保持架齒盤棘齒更換為斜齒輪或其他形式，則可利用外部驅動元件，使保持架順時針轉動，并依靠電子傳感器感應車身狀態(tài)，主動控制鎖止或解鎖。與機械式車輛敏感方案相比，電子鎖止在出發(fā)后，不需要芯軸逆時針轉動即可鎖止，可進一步減少在碰撞過程中織帶被拉出的量，更有利于乘員保護。

(2)織帶敏感鎖止?？棊П豢焖俪槌鰰r，存在以下兩種可能的狀態(tài)：①當芯軸轉動的角加速度超過閾值時，保持架、滾針在慣性的作用下，角加速度有延遲，即相對芯軸有相對轉動。此時由于芯軸弧面的作用，滾針沿徑向向外運動，直到與鎖止環(huán)內圓面接觸，形成鎖止。②當芯軸轉動速度達到閾值，假設此時未觸發(fā)鎖止，滾針在離心力作用下沿徑向向外運動，直到與鎖止環(huán)內圓面接觸，形成鎖止。其中C形彈簧在常態(tài)下用于使?jié)L針保持向心收緊，避免震動下產(chǎn)生噪聲。在織帶敏感鎖止過程中，彈簧力用以平衡離心力，因此調節(jié)彈簧力或滾針、保持架質量即可控制織帶敏感出發(fā)閾值?？棊舾墟i止同車輛敏感鎖止也可由外部控制，驅動保持架觸發(fā)鎖止。

(3)Back Lock形成原因在于:當芯軸在卷簧的作用下，逆時針轉動回收織帶時，織帶敏感鎖止零件跟隨同步轉動;當全部織帶回收完畢后，織帶繃直，芯軸轉動受限，突然停止轉動;此時織帶敏感零件在慣性作用下繼續(xù)轉動，與芯軸有相對運動，進而導致誤鎖止。在傳統(tǒng)的安全帶設計中，采用棘齒鎖止機構，發(fā)生誤鎖后，如果需要解鎖，則需要退回一小段織帶，使芯軸反向轉動一定角度后，棘齒脫離鎖止區(qū)間，才可解除鎖止。由于棘齒形狀所限，一般需要回退10 mm以上織帶，才能解除誤鎖止。新型鎖止機構同樣依靠慣性原理觸發(fā)織帶敏感鎖止，因此無法完全避免Back Lock現(xiàn)象，但由于新型鎖止機構采用連續(xù)曲面，各鎖止零件為線接觸，沒有所謂的鎖止區(qū)間，因此極大地降低了鎖止發(fā)生的概率。同時，即使鎖止發(fā)生，也只需要極小的回退距離即可解鎖。實驗表明，通常回退解鎖距離小于3 mm。

3 實驗裝置

實驗時，安全帶被安裝于一個電動平臺，該平臺可在水平方向做加速運動，模擬車輛加速，也可實現(xiàn)多角度偏轉，模擬車身角度狀態(tài)。同時該設備可快速抽拉織帶，模擬織帶被快速拉出的情況。該設備符合歐洲經(jīng)濟委員會汽車標準法規(guī)——安全帶及成人約束系統(tǒng)2008版附錄四要求。

4 測試方法

(1)測試目的：對比新舊鎖止系統(tǒng)差異。

(2)測試樣件：量產(chǎn)安全帶3件，搭載新鎖止系統(tǒng)安全帶3件(搭載機械車輛敏感件)。

(3)測試方法：參考歐洲經(jīng)濟委員會汽車標準法規(guī)——安全帶及成人約束系統(tǒng)2008版6.2.5.3。要求在車輛加速度為0.3g～0.45g之間鎖止，要求織帶拉出加速度為0.8g～2.0g之間鎖止，要求車輛傾斜角度在12°～27°之間鎖止。同時執(zhí)行30次快速織帶回收，考察Back Locking現(xiàn)象。

5 結果分析與討論

實驗結果如表1所示，新型鎖止系統(tǒng)在車輛敏感鎖止和織帶敏感鎖止兩項上可達到現(xiàn)有鎖止系統(tǒng)相同水平，如配合傳感器等電子系統(tǒng)，更可精確調整鎖止閾值，滿足不同主機廠的要求。同時，在Back Lock實驗中，新型鎖止系統(tǒng)誤觸發(fā)鎖止的概率遠小于當前設計，并且在誤鎖后可以很容易解鎖。

表1 試驗結果

6 結論及意義

理論分析和實驗均表明，新型安全帶鎖止系統(tǒng)可滿足現(xiàn)有主機廠的鎖止性能標準。和傳統(tǒng)鎖止系統(tǒng)相比，新系統(tǒng)將傳統(tǒng)的織帶敏感零件和鎖止棘齒合二為一，減少了零件數(shù)量，裝配和零件成本都有所下降。新系統(tǒng)既可配合傳統(tǒng)的車輛敏感零件，也可與最新的電子系統(tǒng)連接，形成電子鎖止系統(tǒng)，極大地擴大了適用范圍，適合于大規(guī)模推廣和應用。