安全带动态试验分析研究

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2.1 带扣锁固定的差异对试验结果的影响 安全带锁舌端的连接件多为金属环,织带末端
缝合在上面,上导向件也是一个金属环,织带从中 穿过,上导向件具有旋转自由度以便于角度调节。 这两处连接件结构简单、清楚,安装明确。相对而 言,带扣锁结构复杂,样式多,安装上很难统一。 我们在试验中发现,带扣锁是整个安全带系统的薄 弱环节,而且试验中带扣锁的安装方向和位置均对 试验结果有影响,下面逐一阐述。 2.1.1 带扣锁安装方向的影响
与织带的夹角 α 角非常小,使得带扣锁的受力状态
接近 a 状态,带扣锁具有强的承载能力。近些年来
出现了带扣锁头与其固定片以钢索连接的方式,这
种连接方式介于软连接和硬连接之间,特点是连接
件是金属,但可以像软连接一样受力角度自动调节,
达到或接近 a 状态,来提高带扣锁端的承载能力。
2.1.2 带扣锁安装位置的影响
最大剪应力 τmax=F/2S 带扣锁内应力大小均匀一致,此时带扣锁具有
较强的承载能力。 b. 带扣锁轴线平行滑车纵向方向,带扣锁轴线与力 F 夹角为 α 。滑车上安装如图 5。其受力简图表示 为图 6。
F F轴 F横
图5
图6
作用力 F 分解成带扣锁轴向力 F 轴和带扣锁横
向力 F 横:
轴向力 F 轴=F×Cos α
性轴上。
τmax=3FSinα/2bh=3FSinα/2S 由于带扣锁的长度远大于厚度,τmax 较 σ2 小很 多,忽略不计。
带扣锁最大正应力位于带扣锁根部外侧,记作
σmax 。 σmax=σ1+σ2=F Cosα/S+24 FLSinα/Sh 从以上公式得出,在 b 方式下带扣锁的受力情
况明显要比 a 方式下苛刻得多,而且随着角度 α 的
动态试验前,安全带总成按照 GB 14166-2003 《机动车成年乘员用安全带和约束系统》标准中 5.7.1 安装在标准规定的配有座椅的固定滑车上。 如果安全带总成用于专用车辆或特种型式车辆上, 假人和固定装置之间的距离应按照安装安全带的说 明或按照车辆制造厂提供的资料来确定。标准中指 定了专用车辆以外的安全带安装位置和区域。如图 1 所示,安全带固定点安装于滑车上 A、B 和 K 点。 固定点位置的允差为:各固定点相应于参考点 A、B 和 K 的最大距离为 50 mm。A、B 和 K 不同于实车上 的安装位置,标准中对固定点的位置是一个范围规 定,这使安全带在滑车上的固定存在多种可能性, 也使得试验结果存在一定的差异。
锁带扣
图9
图 10
力 F 分解为带扣锁轴向分力 F 轴,和横向分力 F 横 F 轴=F×Cosα ,F 横=F×Sinα F 横对带扣锁有弯矩 M,带扣锁根部受弯矩 M
最大,记为 Mmax 。 Mmax=F 横×L
弯矩 M 使带扣锁产生的最大正应力 σmax, σmax=Mmax/W (注: W:抗弯截面模量) 以上是内应力计算公式推导。轴向力分力 F 轴 在图 9 和图 10 中,两者大小和方向均相同;横向分 力 F 横和 Mmax 在图 9 和图 10 中,大小相同,方向 不同。在图 9 中,F 横方向在 X 轴上,弯矩 Mmax 绕 Y 轴;在图 10 中,F 横方向在 Y 轴上,弯矩 Mmax 绕 X 轴。 由于带扣锁轴向分 F 轴对图 9 和图 10 的带扣锁 的作用相同,不再进一步分析。弯矩 M 方向不同,
有些带扣锁尺寸很长或形状特异,在标准规定 的有效安装区域内,安装在滑车上,带扣锁体有可 能接触到假人或座椅,此时进行动态试验,带扣锁 体很有可能会因为撞到假人或金属座椅上而导致带 扣锁破碎。带扣锁体结构一般是金属框架,中间是 承载机构和开启机构,外面包裹塑料壳。带扣锁在 正常受力下,锁舌传递力给与其搭扣的金属片,搭 扣金属片传递力到带扣锁金属框架上,力的传递依 靠接触方式。在受力过程中,限位件约束承载金属 件的位置,此时带扣锁体可以承受很大的拉力。但 侧面不能承受横向载荷。当带扣锁体受侧向力时, 塑料开启件和限位件容易碎裂,造成带扣锁开启功 能失效和承载的金属件不稳定。侧向力过大时,会 直接引起金属件变形,破坏带扣锁的承载结构,造 成断裂。若动态试验中带扣锁体与假人或金属座椅 撞击,就势必会给带扣锁体施加较大的侧向力,从 而加速安全带的失效。
在 GB14167-1993《汽车安全带固定点》中规 定了实车上安全带固定点的位置区域,为了让安全 带佩戴在乘员合适的身体部位上,有效保护乘员。 不恰当的安全带固定位置会降低安全带的保护功 效,甚至加重乘员的伤害。如错误的上固定点位置, 会使安全带勒在乘员脖子处,伤害乘员。GB14167 -1993 中对安全带锁舌端固定点和带扣锁固定点 的安装角度有明确的要求,即要求该两点与座椅 H 点的夹角应在 20o~75o之间,而按照 GB14166-2003 规定将安全带安装于滑车上的 B 点和 A 点时,就有 可能造成此角度不能满足 GB14147-1993 的规定, 从而影响安全带的舒适程度和安全效能。对于此种 情况我们认为应适当调整 B 点和 A 点位置,以最小 的移动量满足 GB14167-1993 的位置区域要求和角 度要求。因为安装位置不合理的动态试验是不规范 的,也是缺乏实际意义的。但在试验中带扣锁位置 不合理的现象容易被忽视,一方面这种现象很少见, 另一方面进行安全带动态试验时,忽略了相关标准 的要求。
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动态试验时,按标准
的要求将带扣锁固定
片安装于滑车 A 点,
而对带扣锁的安装方
向并没有明确的规
图 2 带扣锁硬连接
定,试验人员视具体情
况确定,这使安装后带扣锁的安装角度存在一定的
差异。试验中,假人惯性力施加于安全带织带,织
Leabharlann Baidu
带受力伸长,产生织带内部张力,再传递到带扣锁
上。若织带作用于带扣锁的力为 F,而因带扣锁安
增大其内应力成倍的增加,造成带扣锁承载能力明
显下降,在试验中也更容易破坏。在大量的试验中
我们也发现,若以 b 方式固定则带扣锁很容易断裂
和失效,破坏现象为硬连接件断裂、带扣锁结构破
坏等。
在实车状态中,轿车前排安全带的带扣锁安装
方向沿车辆纵向垂面向前,且基本上是固定在座椅
上(如图 2 所示),位置非常接近乘员身体,带扣锁
因此,对于此类带扣锁安装时应在标准允许的 范围使其尽量远离假人和座椅,以避开可能的撞击; 如果仍无法避免带扣锁体与假人或座椅发生接触, 则应使用吸能材料包裹带扣锁体或隔离两者之间的 接触部位,以减轻撞击的伤害。适当的时候可以考 虑采用其它方式进行动态试验,如按实车的安全带 位置布置固定点。当然,我们在此讨论的情况不包 括设计中预知带扣锁会接触乘员的情况。 2.2. 固定点位置变化对试验结果的影响
装方向的不同使得F 与带扣锁轴线存在一个夹角α。 下面通过 a、b 两种情况,说明夹角 α 变化,对安全
带的影响。
a. 带扣锁轴线与力 F 的方向在同一直线上,即
角度为 0o。滑车上安装如图 3,其受力简图表示为
图 4。
F
图3
图4
试验中带扣锁受轴向拉力 F 带扣锁内最大正应力 σmax=F/S
(注:S:带扣锁横截面积,下同)
产生的内应力大小不同。对此进一步分析。 图 9 中,带扣锁的抗弯截面模量:W1=hb2/24,
弯矩产生的最大正应力记为 σ1max: σ1max=Mmax/W 1=24F×L×Sinα/hb2
图 10 中,带扣锁的抗弯截面模量:W2=h2b/24,弯 矩产生的最大正应力记为 σ2max 。
σ2max=Mmax/W 2=24×F×L×Sinα/h2b 由于带扣锁宽度与厚度的尺寸差别大,σ2max 比 σ1max 大几倍,也就是说带扣锁沿厚度方向的承载能 力远远小于沿宽度方向。图 8 所示的带扣锁结构在
带扣锁与其固定片的连接方式有软连接和硬 连接两种,软连接是指带扣锁与固定片之间是用织 带等软物质连接,而硬连接是指两者用金属件连接, 一般软连接多用轿车后排,而前排则主要是硬连接 方式。对于软连接因为佩戴安全带后其角度和受力 能自己适应调整,在试验中不会有太多的争议,而 硬连接则不同,这里我们主要对硬连接方式(如图 2 所示)的带扣锁进行分析和讨论。
试验中产生旋转使其的受力沿厚度方向有更大的分
力,这就是折断的原因。因此安装这种带扣锁时,
1 前言 汽车安全带是车辆被动安全的关键部件,交通
事故中安全带能够避免或减轻乘员受到的伤害,有 效的保护乘员安全。因此,汽车安全带的性能一直 备受关注,我国也于 2003 年颁布了汽车安全带的新 标准 GB14166-2003《机动车成年乘员用安全带和 约束系统》,在新标准中对安全带的各项性能指标都 有了更严格的要求和规定,其中安全带动态试验是 一项非常重要、备受重视的检验项目。安全带动态 试验是以装有假人的试验台车来模拟实车碰撞时的 状况,来评价安全带的性能,是一项综合、全面的 评价指标。标准中规定滑车以 50±1km/h 速度撞击 水泥障碍壁,碰撞后假人最大前移量不得超过标准 的要求,安全带不得断裂。 2 安全带安装状态的差异和影响
Mmax=F 横×L
(注:L—带扣锁长度)
弯矩 M 产生的最大正应力 σ2,位于带扣锁根部
外侧。
σ2=Mmax/W W=bh2/24
(注: W—抗弯截面模量。) (b:带扣锁宽,h 带扣锁厚)
σ 2=24 Flsinα/S h (注:S—带扣锁面积,S=b×h) 弯矩 M 产生的最大剪应力 τmax.,位于带扣锁中
安全带动态试验分析研究
张飚 杜天强 苟毅彤 ( 中国汽车技术研究中心 天津 300162 )
摘要:汽车安全带是车辆被动安全的关键部件,其性能的好坏直接关系到乘员生命财产安全。在安全带性能 的各项评价指标中,动态试验是一项全面、综合的评价指标。我们从大量的试验中发现,安全带的安装状态直接 影响动态试验结果,本文分析和研究了安全带安装方式上的差异对试验结果的影响。
带扣锁承载能力,在不同方向上有大有小。带 扣锁厚度方向承载能力小于宽度方向承载能力。这 就像折一把木尺,在宽度方向上很难折断,在厚度 方向却很容易。如图 8 中的带扣锁,形状像大写的 英文字母 L,带扣锁的受力作用线未通过螺栓固定 点,带扣锁承受旋转力矩会导致其以固定螺栓为原 点旋转。动态试验中带扣锁产生了旋转,带扣锁根 部折断。原因在于带扣锁的旋转改变了原承载方向, 承载能力下降。下面具体分析带扣锁宽、厚两方向 上承载能力的差别。
两点式腰带安全带在动态试验中,受假人的作 用力,方向大致水平向前,织带受力变形,产生张 力,忽略织带与假人身体的摩擦力,其受力简图如 图 7 所示。假定假人的作用力为 F,织带各点的张 力相同,记为 F 张,织带与力 F 作用线夹角 β,则:
F=2F 张×cosβ(F 张=F/2cosβ )
计算公式表明当作用力 F 相同情况下,β 角越 大,织带张力 F 张越大,张力传递给安全带各零部 件的力越大。安装在 β 角大的位置,安全带部件承 受较的力大,更容易破坏。
轴向力 F 轴产生的最大正应力 σ1= F×Cos α/S 横向力 F 横=F×Sin α
横向力 F 横对带扣锁有弯矩作用,带扣锁上任意点
受到的弯矩记为 M。
M=F 横×L
(注:L—带扣锁上任意点到 F 横作用点的距离。)
由上可知弯矩 M 沿带扣锁轴向变化,带扣锁固
定点处弯矩 M 最大,记为 Mmax 。
400
未涂层不
K
锈钢板 Stainless steel plate
(without painting)
K
R=790
R=350
C
r<20
850 40? 45
10 500
30 200
300 400
300
250
9 90 r<20
450
30
920
200
725
图1
单位:mm Dimensions in milimeters
F张
F张
图7
图8 设带扣锁长度方向为 Z 轴,宽度方向为 X 轴,
厚度方向为 Y 轴。在两个带扣锁的轴心上施加大小 相同的载荷 F,其方向一个在带扣锁 XZ 平面内, 与 Z 轴夹角为 α,即让带扣锁在带宽度方向上承载, 受力简图见图 9;一个在带扣锁 YZ 平面内,与 Z 轴夹角也为 α,即让带扣锁在厚度方向上承载,受 力简图见图 10。带扣锁长为 l,宽为 b,厚为 h。
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