馮陳程

摘 要：汽車安全帶作為保護乘員的重要裝置，對于減少交通事故造成的傷害有著舉足輕重的作用。目前市面上常見的三點式安全帶和四點式安全帶在安全性、舒適性和靈活性等方面各有一定的優(yōu)缺點。本文針對這兩類安全帶的應用情況進行研究分析，創(chuàng)造性地提出了一種組合型多點可變安全帶，將兩種安全帶相結合，實現(xiàn)其相互轉換的功能，以更好地適應消費者對安全性和舒適性等方面的要求。同時，通過運用ANSYS軟件對設計成果進行受力分析，對設計結構和材料進行強度檢驗，驗證了項目設計的可行性。

關鍵詞：汽車安全帶；三點式；四點式；轉換機制；ANSYS有限元分析

安全是人們出行最基本的需求。當高速行駛的汽車發(fā)生碰撞或遇到意外緊急制動時 ， 將產生巨大的慣性力，這個慣性力可能超過駕駛人體重的20倍（視行車速度及撞擊程度有所不同），使駕駛人及乘客與車內的方向盤、擋風玻璃、座椅靠背、車門等物體發(fā)生碰撞，極易造成對駕乘人員的傷害，甚至將駕乘者拋離座位或拋出車外。汽車安全帶的作用就是在車輛發(fā)生碰撞或使用緊急制動時，將乘員牢牢地拴在座椅上，防止發(fā)生二次碰撞，起著約束乘員位移和緩沖作用，吸收撞擊能量，化解慣性力，避免或減輕駕乘人員受傷的程度。因此，針對汽車安全帶的研究成為人們熱議的話題。

1 安全帶使用現(xiàn)狀

目前市面上常用的汽車安全帶有三點式安全帶和四點式安全帶兩種。三點式安全帶主要配置于常規(guī)車輛上，用于普通出行，而四點式安全帶主要應用在賽車上，滿足高速行駛車輛的安全需求。

1.1 三點式安全帶使用概況

三點式安全帶仍然是汽車中最重要的獨立安全裝置，它是應用最為廣泛，最有深遠意義的安全創(chuàng)新技術，該技術在減輕全世界千千萬萬交通事故的后果方面，它的貢獻是其它任何單一的安全方案都無法比擬的。行車中，坐在車內的人體的移動速度與車速相同，突然停車時，人體仍會以原有速度移動，此時，安全帶能將原本作用于人體的介乎3000至5000公斤之間的沖力擋住。如今，這種安全帶已經(jīng)成為轎車標準配置的一部分。目前， 汽車上普遍使用的安全帶為改進后的連續(xù)性三點式緊急鎖止式安全帶。

1.2 四點式安全帶使用概況

四點式安全帶主要應用于賽車，現(xiàn)在一些制作廠商，比如沃爾沃，正嘗試將其應用到微型轎車上。典型的四點式安全帶包括兩條豎向的吊帶，可以束住車內乘員的胸腔，并在底部與橫向安全帶扣接。這種安全帶大都為雙肩式固定，加上橫在腰部的一根，很像日常旅游時背的雙肩式登山包。安全帶的長短是事先根據(jù)車手坐在座椅上的尺寸調好的，基本上不再調節(jié)，也沒有預拉緊裝置。這種安全帶可以將撞擊力更均勻地分散掉，在車輛遭受翻滾或滑動時，乘員不會因劇烈晃動而產生位移繼而導致身體傷害；同時，乘員通過座椅與車身更加緊密的結合到一起，更能夠感受到車輛的動態(tài)，即達到常說的“人車合一”的狀態(tài)，以便更有效地操控車輛。

2 組合型多點可變安全帶設計

通過分析兩種類型安全帶的優(yōu)缺點，本文致力于設計一種能夠很好地實現(xiàn)兩種安全帶相互銜接轉換的機構，即組合型多點可變安全帶。

2.1 設計結構綜述

組合型多點可變安全帶的設計理念是通過在通用三點式安全帶的結構基礎上增加一個機械鎖裝置，實現(xiàn)了三點式安全帶與四點式安全帶的任意切換，從而達到了一款安全帶實現(xiàn)兩種形式安全帶功能的效果，使安全帶滿足了人體佩戴舒適性高、對人體的束縛能力強，對人體的安全保護作用好等的多重功能。

組合型多點式安全帶在設計上沿用通用三點式安全帶采用的標準GB14166-2003《道路車輛成年成員用安全帶和約束系統(tǒng)》，同時還滿足GB8410-1994《汽車內飾材料的燃燒特性》的要求。

組合型多點可變安全帶在整體結構布局上沿用了通用三點式安全帶包括座椅左下方的卷收器，卷收器內的織帶一端穿過左上方的導向環(huán)回到卷收器中形成雙層可伸縮的織帶，外層織帶套合于與鎖扣配合的鎖舌，在佩戴時鎖舌固定于鎖扣上。

區(qū)別之處在于與鎖扣配合的固定鎖扣改裝為一個可鎖死的滑動裝置，組成了組合型多點可變安全帶的核心創(chuàng)新部分：機械鎖裝置。通過機械鎖裝置的鎖死與開鎖狀態(tài)實現(xiàn)三點式和四點式安全帶兩種模式的切換。同時也增加了一條安全帶及一個安置在座椅右后方的卷收器，滿足實現(xiàn)四點式安全帶的結構要求。

2.2 機械轉換裝置結構

2.2.1 滑條

滑條采用工字鋼結構，從而有效增強材料的剛度強度。豎直固定于座椅右下方，其中一側蓋板加工為雙側牙齒結構，實現(xiàn)與裝有扣鎖的滑塊的凹槽配合的功能。

2.2.2 滑塊

滑塊為凹型長方體框架，采用槽鋼結構。水平方向設有齒形滑槽，豎直方向布置有兩個圓孔。頂端為圓柱體，末端為長方體形的按鈕從圓孔中穿過，兩個按鈕的末端分別與一個彈簧的兩端相連接，通過按動按鈕實現(xiàn)滑塊沿滑槽的上下運動。同時當切換為四點式安全帶時，滑塊將離開滑槽運動到人體前方，實現(xiàn)了四點式安全帶的功能。

2.2.3 機械鎖

機械鎖裝置設于滑塊的內部，由滑塊內框、按鈕、卡齒、傳動桿及彈簧等幾個主要部分組成。滑塊內部有兩組兩兩配合的“L”型傳動桿，每兩個傳動桿“L”型的長臂中間用一個螺栓鉸連，使兩個桿交叉成“X”型，短臂垂直于框架平面。螺栓與小滑塊相連接，滑塊配合于框架內部的滑槽，可沿滑槽橫向自由滑動。每組兩個傳動桿長臂的頂端分別與兩個按鈕的末端鉸連。通過按動按鈕調節(jié)彈簧實現(xiàn)機械鎖的位置變化，使機械鎖沿著滑條上下自由滑動。

滑動裝置可以沿著滑條上下自由滑動，同時還可以依靠一個可變向齒式棘輪機構實現(xiàn)在任意位置固定鎖住。所述的齒式棘輪機構的棘輪齒安裝在滑條兩側。齒條形棘爪安裝在滑塊內部，與“L”型傳動桿的短臂相連接，使得棘爪可以在傳動桿的帶動下在滑塊內部橫向移動。

這種組合型多點可變安全帶還包括座椅后側右下方的卷收器，卷收器內的織帶一端穿過座椅頭枕右側的導向環(huán)回到卷收器中形成雙層可伸縮的織帶，外層織帶套合于與滑條配合的滑塊裝置，當滑塊離開滑槽時卷收器中的織帶將伸出，從而實現(xiàn)四點式安全帶結構。

2.3 工作原理

汽車正常行駛時，采用三點式安全帶?；瑝K裝置由于齒條形棘爪與棘輪齒的嚙合而固定在滑條上，將左側安全帶的鎖舌拉出，帶動織帶克服彈簧回彈力向外伸出繞過人體，至右側扣在滑塊的鎖扣內，即完成系帶。從而形成三點式安全帶。

調節(jié)鎖扣的位置時，同時按下機械鎖上下兩側的按鈕，使得彈簧壓縮。兩按鈕靠近，與之相鉸接的兩個傳動桿之間的夾角隨之變小，兩個傳動桿交叉處的小滑塊沿著滑槽向遠離彈簧的方向滑動。傳動桿的短臂帶動齒條形棘爪向遠離彈簧的方向滑動，帶動齒條形棘爪與滑條的棘輪齒脫離嚙合，使滑塊可以沿著滑條在外力作用下上下自由滑動。當調節(jié)至合適位置的時候松開按鈕，兩個按鈕在彈簧彈力的作用下向外運動，兩按鈕之間距離增大，與之相鉸接的兩個傳動桿之間的夾角隨之變大。傳動桿交叉處的小滑塊沿著滑槽向靠近彈簧的方向滑動，傳動桿的短臂帶動齒條形棘爪向靠近彈簧的方向滑動，帶動齒條形棘爪與滑條的棘輪齒重新進入嚙合。從而可以使得滑塊在滑條上的位置固定，三點式安全帶正常使用?；瑝K的上下滑動會改變左側安全帶在人體上的壓迫位置，人們可以根據(jù)自己體型自行調節(jié)至舒適位置。

汽車在高速行駛的時候，四點式安全帶對人體的約束更加牢固，在事故發(fā)生時對人的保護性能更強，其安全性大大提高，可以將三點式安全帶轉變成四點式安全帶。按下滑塊的按鈕，滑塊便可在滑條上自由滑動，這時將滑塊向上拉，直至滑出滑條。與佩戴正常三點式安全帶類似，將右臂穿過右側安全帶，將機械鎖拉至身體正前方腹部偏上位置即可。

若需由四點式安全帶切換到三點式安全帶，只需按下機械鎖兩側按鈕將滑塊裝置插回至滑條，調節(jié)到合適位置，放開兩側按鈕，保證滑塊已安全鎖死。與此同時卷收器將直接收回右側安全帶，實現(xiàn)了三點式安全帶定位。

3 組合型多點可變安全帶結構有限元分析

本文根據(jù)安全帶實際使用情況，并結合GB14166一93中的對安全帶性能的實驗要求，使用有限單元方法對機械鎖的結構強度及合理性進行分析。在機械鎖結構中，主要承受載荷的結構是鎖舌，齒形滑條和滑塊。關于滑塊和齒條的受力，可以看作平面應力問題，因此本文建立了該結構簡化的2維有限元模型，并進行了分析計算。然后，為了得到結構更加具體的受力情況，有建立了三維有限元模型并進行計算。

3.1 滑塊與齒形滑條的二維有限元模型

取安全帶結構的橫截面建立二維模型，使用ansys軟件進行網(wǎng)格劃分。將接觸的邊設定為接觸對，摩擦系數(shù)0.1。同時，將滑槽的下端面設定為固定約束。劃分網(wǎng)格后在側面施加載荷13500N。使用動態(tài)加載的方法加載。經(jīng)過計算，得到了如圖所示的應力分布云圖。

3.2 鎖身與齒槽的三維有限元模型

為了的到更精確的計算結果。我們又建立了更接近真實情況的三維有限元分析模型。我們首先建立安全帶受力構件的三維模型。使用Ansys軟件進行網(wǎng)格劃分。劃分網(wǎng)格之后，分別得到各個零件的有限元模型，其中齒槽有節(jié)點12014個，單元7557個。鎖身有節(jié)點2601個，單元1210個。接觸面26對，定義摩擦系樹為0.1。使用動力學分析方法對安全帶進行受力分析。參考GB14167，在鎖扣處施加載荷13500N+10°使用動態(tài)加載的方法，加載時間1s，然后卸載。經(jīng)過ansys有限元分析軟件運行求解之后得到了如下結果：

表1 分析計算結果

最大應力值 131.99MPa

最大位移量 9.8044e-005 m

計算迭代次數(shù) 26

3.3 結果分析

該結構的最大應力出現(xiàn)在滑槽與鎖接觸部位，危險點主要來源為擠壓應力和局部引力集中。該材料經(jīng)計算分析為合格。次鎖扣的受力結構也比較合理。

同時，此模型還可以有以下改進措施：

結合人機工程學的知識改進外形，使其適應人的手的形狀，使人操作時更加舒適。

改進滑槽的形狀，符合等強度原則，使更加其節(jié)省材料，減輕重量，更加美觀。

改進引力集中出的設計，提高其疲勞強度。

4 總結與展望

本文的重點內容是組合型多點可變安全帶的設計研究。目前汽車安全帶在碰撞事故中對乘員的有效保護作用已得到了世界各國的公認。組合型多點可變安全帶兼顧了三點式安全帶的舒適性，四點式安全帶的安全性，可在不同的運行條件下充分發(fā)揮每種安全帶的作用。然而，本設計仍有很多細節(jié)還需要不斷的改進和完善，項目的研究工作還需不斷地深化。本研究的結構參數(shù)仍需優(yōu)化，還考慮安全帶延伸率、寬度，卷收器等相關參數(shù)設置；由于條件所限，本研究沒有進行碰撞的試驗研究。

總的來說，本文所研究的組合型多點可變安全帶在提高乘員的安全性、靈活性方面具有一定的參考價值，也具有一定的推廣實用價值，當然其中還有很多不足，有待于其他研究人員在日后的工作和學習中繼續(xù)充實和完善。

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注：源自國家大學生創(chuàng)新性實驗計劃項目 項目編號：201410613039