趙曉昱　王曉聰　王巖松　汪佳農(nóng)

上海工程技術大學,上海,201620

磁流變限力安全帶的設計原理

趙曉昱王曉聰王巖松汪佳農(nóng)

上海工程技術大學,上海,201620

摘要：為了避免車用安全帶在緊急鎖止時對人體造成傷害，研究了一種可主動控制安全帶約束力的磁流變限力器。介紹了限力器的控制原理和結(jié)構；運用磁飽和分析法探索了限力器阻尼力與外控電流的對應關系；根據(jù)人體胸部的安全承載能力，確立了限力器的限力極值,通過一算例驗證了其可行性。該磁流變限力器與復合敏感式安全帶鎖止器配合,可實現(xiàn)智能控制且可以反復使用。

關鍵詞：安全帶；磁流變限力器；胸部約束；磁飽和分析；阻尼力方程

0引言

汽車安全帶是汽車乘員約束系統(tǒng)中最重要的保護裝置。目前汽車上普遍裝備的是三點式安全帶，此種安全帶能為乘員提供比較好的保護。由于安全帶織帶是一條比較窄(約46mm)的尼龍編織帶，主要作用部位為胸部和腹部，為了減少其自身的延伸量，織帶剛度被設計得比較大,因此在較大的碰撞加速度下會對乘員造成一定程度的勒傷，有時甚至會威脅到乘員的生命[1]。為了克服這些缺點,人們發(fā)明了限力式安全帶,以防止過大的約束力對人體造成傷害。目前應用最多、技術最成熟的是限力桿式限力器安全帶。當安全帶上的拉力過大時，金屬限力桿發(fā)生形變，釋放一定長度的安全帶，以此來達到限力的目的[2]。但是此種安全帶限力器只能一次性使用，使用之后需要更換整個安全帶總成，維修成本較高。并且限力桿的限力值是固定的，不能調(diào)節(jié)。針對這些問題,筆者利用磁流變液在磁場的作用下具有響應迅速、磁流變效應可逆的特性[3],設計了一種新型安全帶磁流變限力器,使之與現(xiàn)有的復合敏感式安全帶鎖止器配合使用，可實現(xiàn)安全帶約束力連續(xù)可控,并且該安全帶具有反復使用的性能。

1磁流變限力器的結(jié)構原理

圖1　磁流變限力器結(jié)構簡圖

安全帶磁流變限力器結(jié)構如圖1所示，主要由活塞、活塞桿、電磁線圈、線圈保護套、隔磁環(huán)、制動環(huán)、回位彈簧、活塞桿導向座、缸體、附加腔體等結(jié)構組成。磁流變限力器的活塞安裝在活塞桿下端，并且活塞上開有凹槽，電磁線圈纏繞在凹槽中。整個活塞外部套有一層金屬保護套，用來保護線圈，金屬保護套上鑲嵌有一圈不銹鋼隔磁環(huán)，用來隔斷磁路。裝配好后的活塞總成安裝在限力器缸體內(nèi)，活塞桿導向座為活塞桿提供徑向支撐?；钊麠U上部一端裝有回位彈簧，用來使拉出的活塞迅速回位。在缸體與活塞之間充滿磁流變液，油封用來密封限力器內(nèi)部的磁流變液。限力器缸體尾端有一附加腔體用于保護活塞桿。

2磁流變限力器的控制原理

鎖止器和限力器的連接方式如圖2所示。磁流變限力器上部安裝孔與安全帶鎖止器總成通過螺栓固定在一起，鎖止器可以在連接板內(nèi)滑槽中滑動,連接板固定在車身上；限力器缸體通過固定套連接在車身上。

圖2　限力器與鎖止器的連接方式

2.1正常行駛狀態(tài)

車輛正常行駛時，由于控制電路并未啟動，所以安裝在活塞桿上的電磁制動環(huán)在徑向制動彈簧的作用下會使活塞桿與缸體之間制動，活塞桿并不移動，復合敏感式安全帶鎖止器也不鎖止，可根據(jù)佩戴者的需要調(diào)整織帶的長度正常使用。

2.2緊急鎖止狀態(tài)

汽車行駛狀態(tài)突然發(fā)生改變，人體在慣性力作用下有可能發(fā)生二次碰撞，當達到國家標準所要求的鎖止指標時，需要對人體約束鎖止，因此復合敏感鎖止器首先鎖止安全帶，對人體進行約束[4]。這時通過安裝在織帶鎖扣內(nèi)的織帶測力傳感器測得織帶對人體的約束力，如果約束力超過人體安全承力上限,電子控制單元(ECU)發(fā)出控制指令，啟動控制電路，使電磁制動環(huán)回縮吸附在活塞桿上，同時通過控制磁流變限力器中線圈的電流來控制磁流變阻尼力，使阻尼力變小，使安全帶對人體的約束力維持在人體可承受范圍內(nèi),阻尼力的變化會使活塞桿與缸體有相對移動。限力器的控制原理見圖3。

圖3　限力器控制原理

2.3斷電保護

為了防止由于撞車等突發(fā)情況造成電路斷路,在限力器中設置了電磁制動環(huán)，斷電時，活塞失去對制動環(huán)的吸附作用，制動環(huán)在制動彈簧的作用下，使活塞桿與缸體之間停止相對運動，僅由復合敏感式鎖止器單獨工作。這樣仍保證了安全帶對人體的約束。

3磁路設計和磁飽和分析

限力器活塞處的簡化磁路結(jié)構如圖4所示。磁路為串聯(lián)磁路，所以在磁路中磁通量處處相等。運用磁飽和分析法，以磁流變通道處的磁感應強度達到磁飽和工作值(約為0.7B)和磁軛達到磁飽和工作值(約為1.4B)為限力器磁路工作條件。

圖4　限力器磁路設計

由圖4可以看出,線圈保護套的安裝位置接近于磁流變通道，并且磁導率遠大于磁流變液磁導率。建立磁路磁通關系，設Φ為磁軛的磁通，ΦMRF為磁流變通道磁通,則磁通表達式為

Φ=∫SBdS=BS

(1)

式中,B為通過面積S的磁感應強度。

由于是串聯(lián)磁路,通過計算可得到各處的磁通量,圖4中各磁通量的關系如下：

Φ1=Φ2=Φ3=ΦMRF

(2)

活塞半徑R可由以下剛強度校核公式得到：

(3)

式中,F為活塞桿拉力；σ為抗拉強度,其值依活塞桿材料而定。

由于磁力線基本在磁軛中,磁軛為鐵磁體，磁導率遠遠大于非鐵磁體磁導率,基本無磁漏。根據(jù)磁路歐姆定律,磁流變阻尼器磁路計算公式為

NI=Φ(Rm+RMRF)

(4)

式中,N為勵磁線圈匝數(shù);I為線圈額定電流;Rm為磁軛總磁阻;RMFR為磁流變通道磁阻。

兩種磁阻分別由以下公式求得：

(5)

(6)

式中，l′為磁軛磁路的平均長度；h′為磁流變液通道厚度；μ為磁軛磁導率;μ0為磁流變液磁導率；S0為磁流變通道平均截面積。

通過將結(jié)構參數(shù)代入式(5)、式(6)可以得到總的磁阻；通過計算式(4)可以確定線圈匝數(shù)。

4確定限力器的阻尼力與限力極值

4.1磁流變限力器的阻尼力

設計的磁流變限力器的阻尼力是基于Bingham流體的平行平板流動模型來進行計算的[5-6]。Philips[7]和Makris等[8]的推導表明，當活塞向外運動時，單桿雙出間隙式結(jié)構活塞所承受的阻尼力可按下式計算：

(7)

式中,Ap為活塞的有效面積;v為活塞相對于缸體的運動速度;τy(H)為磁流變液剪切屈服強度;η為磁流變液的零場黏度；h為活塞與缸體的間隙；L為活塞有效長度。

由式(7)可知,磁流變液的剪切屈服應力τy(H)的大小和活塞相對運動速度v直接影響限力器阻尼力的大小。活塞運動速度與織帶速度一致,數(shù)值很小，所以只能通過調(diào)節(jié)磁流變液剪切屈服應力τy(H)的大小來控制阻尼力F的輸出。由磁流變液的基本磁化曲線可知,磁流變液的剪切屈服應力τy(H)是磁場強度H的函數(shù)[9],而H=B/μ0,所以磁流變液的剪切屈服應力又是磁感應強度B的函數(shù)。

由式(4)可得磁感應強度與線圈電流的關系:

(8)

由式(8)可知,只要控制電流I的大小,就可得到不同的磁感應強度值,進而得到一個可控大小的阻尼力F。

4.2磁流變限力器限力極值的確定

根據(jù)Foret-Bruno等[10]對89起均配置了預定程序約束系統(tǒng)PRS(programmedrestraintsystem)車輛的交通事故案例和在此基礎上將限力器等效替換后擴充為256例事故案例的分析研究得出以下結(jié)論:

(1)不區(qū)分性別差異，對于所有年齡階段，肩帶力6.9kN導致胸部損傷等級為AIS評價3級以上的風險為50%。

(2)隨著車體結(jié)構剛度越來越大，肩帶力的大小需要適當?shù)剡M行控制，否則會傷害人體。安全帶力限制為4kN和相匹配的安全氣囊使95%的乘員受到保護成為可能。

據(jù)此磁流變限力器的正常工作限力值為4kN，峰值時的限力值為6kN。

5限力器設計實例

為了驗證磁流變限力器提供的阻尼力是否能達到要求，需進行校驗。為了防止磁路被短路和浪費，這里選擇304(0Cr19Ni9)不銹鋼為限力器活塞桿和隔磁環(huán)材料，選擇20鋼為磁軛材料[11]。磁流變液的型號選擇重慶儀表研究所研制的MRF-J01型[12]。MRF-J01磁流變液的剪切屈服應力隨磁感應強度變化曲線如圖5所示。由圖5可知,隨著磁感應強度的變化，剪切屈服應力不斷增大,最大值約為70kPa,性能優(yōu)良,穩(wěn)定性很好。選擇的結(jié)構材料性能參數(shù)如表1所示。經(jīng)過計算,磁流變限力器的結(jié)構參數(shù)如表2所示,磁通Φ=16.9×10-4Wb。

圖5　MRF-J01磁流變液的剪切屈服應力-磁感應強度曲線

項目參數(shù)磁流變液工作的磁感應強度B(T)0.7磁流變液工作點磁導率μ0(H/m)3.7×10-5磁流變液零場黏度η(Pa·s)1.0磁流變液最大剪切屈服應力τy(kPa)70304不銹鋼抗拉強度σ(MPa)52020鋼工作的磁感應強度B(T)1.420鋼工作點磁導率μ(H/m)6.5×10-4

表2　限力器結(jié)構尺寸數(shù)值

由式(5)、式(6)可求得總磁阻Rm=75547.3H-1,最大電流取1.5A,求得NI=ΦRm=127.86Wb/H,則有線圈匝數(shù)N=85。由于限力器的參數(shù)已經(jīng)確定,代入式(7)可得阻尼力的表達式：

可以看出阻尼力分配比較好,可調(diào)節(jié)范圍比較大。

所以由式(8)可知,只要控制電流的大小，就可得到不同的磁感應強度值，進而得到一個可控大小的阻尼力F。根據(jù)表1所提供的數(shù)據(jù)以及磁流變液、20鋼的磁特性參數(shù)，得到電流I和剪切屈服應力τy(H)關系如圖6所示。

圖6　電流與剪切屈服應力的關系曲線

圖6中擬合曲線的表達式為

τy(H)=(-31 350 I4+104 900 I3-49 640 I2+

7419 I-108.8)/(I2-0.67 I+0.13)

將此表達式代入到限力器阻尼力表達式中,可得到阻尼力F關于電流I和相對速度v的表達式：

F=262.2 v+(-1630.2 I4+5454.8 I3-2581.28 I2+

38 538 I-5.66)/(I2-0.67 I+0.13)

代入不同的電流與速度值,可得到限力器阻尼力如圖7所示。根據(jù)文獻[13]所做的正面100%重疊碰撞(50km/h)實驗,人體相對車體的最大相對速度約為9m/s,則人體拉動磁流變限力器而產(chǎn)生的限力器的最大阻尼為F=6017.19N,如圖7所示。

圖7　磁流變阻尼力與電流、速度關系曲線

由圖7可知,織帶拉出的速度對阻尼力的影響并不明顯，而電流的影響則很明顯，為了簡化結(jié)構，可以在由電流控制的剪切阻力基礎上疊加上織帶拉出速度取平均值時產(chǎn)生的黏滯阻力。通過控制電流的大小，即可得到不同的阻尼力，來滿足不同工況下人體約束力的限力需求。

6結(jié)語

根據(jù)車輛行駛的路面和最高車速，針對不同車型的室內(nèi)空間大小，安全氣囊與安全帶配合使用時可利用的安全距離，選取合理的磁流變限力器結(jié)構參數(shù)和磁流變液材料,可以得到所需的人體約束力。優(yōu)化結(jié)構參數(shù)，不僅節(jié)約了制作材料，提高了資源利用效率，也使得機構更加緊湊，性能更好。為了提高限力器的精確約束力，可以通過織帶的速度傳感器測得織帶的速度，與控制電流進行匹配，通過電子控制單元進行阻尼力的控制。

利用磁流變液這一智能材料，可以實現(xiàn)安全帶約束力根據(jù)人體承受壓力的安全極限進行實時、連續(xù)、可逆的控制，既防止了二次碰撞，又可以實現(xiàn)對乘員的更加周到、智能的保護。

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(編輯王艷麗)

DesignPrincipleofMagnetorheologicalForceLimitedSeatbelt

ZhaoXiaoyuWangXiaocongWangYansongWangJianong

ShanghaiUniversityofEngineeringScience,Shanghai,201620

Abstract:An active limiter for seatbelt constrain force with MRF was proposed.This MRF force limiter was designed in order to avoid having a harmful effect on human body when seatbelt emergency locking.The control principles and structure for MRF force limiter were proposed.To research corresponding relationship between the limited damping force and external control current the magnetic saturation analysis method was adopted.Limiting value of limiter was set up according to chest load-carrying capability,and its feasibility was verified by a numerical example. The MRF force limiter can be used with emergency locking retractor. It can realize intelligent control and reuse.

Key words:seatbelt;magnetorheological fluid(MRF) limiter;chest constrain; magnetic saturation analysis; damping force equation

收稿日期：2015-02-04

基金項目:國家自然科學基金資助項目(51175320);上海高校特聘教授(東方學者)項目

中圖分類號：U461.91;TH132.22

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.04.014

作者簡介：趙曉昱,女,1967年生。上海工程技術大學汽車工程學院副教授,長春理工大學機械電子工程學院博士研究生。主要研究方向為汽車設計、汽車車身設計與制造。發(fā)表論文20余篇。王曉聰,男,1987年生。上海工程技術大學汽車工程學院碩士研究生。王巖松，男,1971年生。上海工程技術大學汽車工程學院教授。汪佳農(nóng),男,1992年生。上海工程技術大學汽車工程學院碩士研究生。