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安全带工作原理
2019-04-11 00:09:16· 来源：汽车碰撞安全仿真在
基本组成和工作过程本文以常见的预紧限力式安全带为例，介绍安全带工作过程。安全带卷收器主要组成部分为：框架、芯轴、锁止机构、回收机构、预紧器、限力机构。
基本组成和工作过程
本文以常见的预紧限力式安全带为例，介绍安全带工作过程。安全带卷收器主要组成部分为：框架、芯轴、锁止机构、回收机构、预紧器、限力机构。其中，框架主要作用为支撑卷收器整体结构，保证连接强度，固定其他零件；芯轴的主要作用为缠绕织带，传递扭矩；锁止机构负责在车辆有水平方向加速度时以及织带拉出加速度达到一定值时将芯轴和的旋转运动锁止在框架上；回收机构在未发生碰撞时负责轻缓地回卷芯轴用来收回松弛的织带；在车辆发生碰撞时，预紧器会在收到电信号后通过芯轴将织带快速收回一段长度；而限力机构在织带收到极高的外载荷时限制织带拉出力的大小。
在常见的正面碰撞工况中，主要的性能部件为预紧器和限力机构。
在碰撞发生的若干毫秒之后，车辆的ECU会向安全带卷收器发出电压信号，以触发卷收器的预紧动作。预紧器会在10ms左右的短暂时间内，将安全带织带快速往回收，回收的长度依外部载荷的大小而不同，通常可以收回0~120mm不等。当前普遍采用的预紧器为使用焰火式气体发生器燃烧生成大量气体，通过活塞推动一组机构来驱动安全带回收，预紧器的拉力会随着活塞内气体的生成和排出，表现为先上升后下降的形态。
在碰撞过程中，随着车身加速度大小的逐渐增加，约束乘员的安全带载荷也会逐渐升高，直到上升的载荷大于预紧器的回收力后，预紧器会停止回收织带。载荷不断上升，织带会被往外拉出，带有限力机构的卷收器，会将通过限力轴的扭转产生的扭矩来提供织带往外拉出的阻力，以达到织带拉力不再上升，而且以一个较平稳的力值释放织带的设计目标，这样的限力可以限制对乘员的胸腔肋骨的伤害。
上图描述了预紧限力式安全带卷收器在正面碰撞过程中的动作顺序。安全带卷收器最直接的表现结果就是卷收器出口处的织带张力，而作用在乘员身上的则是肩带力，肩带力一般是出口力绕过导向环后的表现，其特征相对于出口力又有一些不同，不同的因素主要是由于导向环的摩擦力方向不同所产生的。
根据卷收器工作状态不同，安全带的出口力和肩带力有如下特征：
1、预紧阶段：两者同时上升，出口力大于肩带力；
2、锁止阶段：出口力下沉然后再次上升，肩带力则持续上升，开始超过出口力；
3、限力阶段：两者同时进入平台，肩带力大于出口力。
预紧和锁止阶段的力值大小和持续时间等，与安全带收到的载荷密切相关。若载荷较小，则预紧阶段的安全带力也会较小，同时织带回收量会变得较大。反之亦然。
预紧限力式卷收器仿真模型
为了尽可能还原卷收器响应外载荷的情况，在仿真模型建模前，需理清预紧限力式安全带卷收器的传力关系，预紧限力式安全带卷收器的碰撞工况下最简模型如下图所描述：
上图中，为了在仿真模型中实现建模，将卷收器的旋转运动，等效成了直线运动。当预紧器点爆后，预紧器的活塞推动芯轴连带着锁止机构和限力机构以及织带向左运动；随着预紧器内气体逐渐减少、安全带外载荷逐渐上升，从小与预紧力逐渐增大至大于预紧力，一旦开始反向运动后，锁止机构会与框架连接固定，织带拉着芯轴向右侧移动，伴随着限力机构起作用；在反推过程中，预紧器也与芯轴发生脱离，不会阻碍芯轴继续往右侧运动。
在传统的仿真建模方式中，可能会采用力-时间的函数或者力-位移的刚度特性来表述预紧器的出力特征，其缺点也是显而易见的，预紧力无法响应载荷的变化，不具有预测性。另外，也常用一条直线，或者试验测量的曲线表征限力机构的刚度特性，其实无法在织带剩余量变化后预测限力值相应的变化。
本文以常见的预紧限力式安全带为例，介绍安全带工作过程。安全带卷收器主要组成部分为：框架、芯轴、锁止机构、回收机构、预紧器、限力机构。其中，框架主要作用为支撑卷收器整体结构，保证连接强度，固定其他零件；芯轴的主要作用为缠绕织带，传递扭矩；锁止机构负责在车辆有水平方向加速度时以及织带拉出加速度达到一定值时将芯轴和的旋转运动锁止在框架上；回收机构在未发生碰撞时负责轻缓地回卷芯轴用来收回松弛的织带；在车辆发生碰撞时，预紧器会在收到电信号后通过芯轴将织带快速收回一段长度；而限力机构在织带收到极高的外载荷时限制织带拉出力的大小。
在常见的正面碰撞工况中，主要的性能部件为预紧器和限力机构。
在碰撞发生的若干毫秒之后，车辆的ECU会向安全带卷收器发出电压信号，以触发卷收器的预紧动作。预紧器会在10ms左右的短暂时间内，将安全带织带快速往回收，回收的长度依外部载荷的大小而不同，通常可以收回0~120mm不等。当前普遍采用的预紧器为使用焰火式气体发生器燃烧生成大量气体，通过活塞推动一组机构来驱动安全带回收，预紧器的拉力会随着活塞内气体的生成和排出，表现为先上升后下降的形态。
在碰撞过程中，随着车身加速度大小的逐渐增加，约束乘员的安全带载荷也会逐渐升高，直到上升的载荷大于预紧器的回收力后，预紧器会停止回收织带。载荷不断上升，织带会被往外拉出，带有限力机构的卷收器，会将通过限力轴的扭转产生的扭矩来提供织带往外拉出的阻力，以达到织带拉力不再上升，而且以一个较平稳的力值释放织带的设计目标，这样的限力可以限制对乘员的胸腔肋骨的伤害。
上图描述了预紧限力式安全带卷收器在正面碰撞过程中的动作顺序。安全带卷收器最直接的表现结果就是卷收器出口处的织带张力，而作用在乘员身上的则是肩带力，肩带力一般是出口力绕过导向环后的表现，其特征相对于出口力又有一些不同，不同的因素主要是由于导向环的摩擦力方向不同所产生的。
根据卷收器工作状态不同，安全带的出口力和肩带力有如下特征：
1、预紧阶段：两者同时上升，出口力大于肩带力；
2、锁止阶段：出口力下沉然后再次上升，肩带力则持续上升，开始超过出口力；
3、限力阶段：两者同时进入平台，肩带力大于出口力。
预紧和锁止阶段的力值大小和持续时间等，与安全带收到的载荷密切相关。若载荷较小，则预紧阶段的安全带力也会较小，同时织带回收量会变得较大。反之亦然。
预紧限力式卷收器仿真模型
为了尽可能还原卷收器响应外载荷的情况，在仿真模型建模前，需理清预紧限力式安全带卷收器的传力关系，预紧限力式安全带卷收器的碰撞工况下最简模型如下图所描述：
上图中，为了在仿真模型中实现建模，将卷收器的旋转运动，等效成了直线运动。当预紧器点爆后，预紧器的活塞推动芯轴连带着锁止机构和限力机构以及织带向左运动；随着预紧器内气体逐渐减少、安全带外载荷逐渐上升，从小与预紧力逐渐增大至大于预紧力，一旦开始反向运动后，锁止机构会与框架连接固定，织带拉着芯轴向右侧移动，伴随着限力机构起作用；在反推过程中，预紧器也与芯轴发生脱离，不会阻碍芯轴继续往右侧运动。
在传统的仿真建模方式中，可能会采用力-时间的函数或者力-位移的刚度特性来表述预紧器的出力特征，其缺点也是显而易见的，预紧力无法响应载荷的变化，不具有预测性。另外，也常用一条直线，或者试验测量的曲线表征限力机构的刚度特性，其实无法在织带剩余量变化后预测限力值相应的变化。
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