主动预紧式安全带的研究与开发

2013第十六届中国汽车安全技术国际研讨会-29-主动预紧式安全带的研究与开发曹立波1，欧阳志高1，张冠军1，李靖2，駱光祚31.湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙，410082，[e-mail]2.长沙立中汽车设计开发有限公司3.台湾创盟科技股份有限公司摘要：针对安全带佩带间隙与事故前乘员的位移不利于乘员损伤防护的现象，开发了一种主动预紧式安全带，匹配了汽车事故预警系统，具有―提前预警‖和―危急提醒‖功能。完成了主动预紧式安全带的台架试验，试验结果表明主动预紧式安全带能在330ms内预紧长度约100mm的织带，最大预紧力为国外同类产品的2倍。建立了汽车正面碰撞乘员约束系统仿真模型，对比了有、无主动预紧式安全带对乘员损伤防护的结果。仿真结果表明，主动预紧式安全带能够有效减少乘员位移，使乘员基本保持在正常坐姿位置，为乘员提供更好的防护。关键词：主动预紧式安全带；提前预紧；乘员向前位移，汽车事故预警系统ResearchandDevelopmentonActiveSeatbeltsCaoLibo1,OuyangZhigao1,ZhangGuanjun1,LiJing2,Kuang-TsoLuo31.StateKeyLaboratoryofAdvancedDesignandManufactureforVehicleBody,HunanUniversity,Changsha,410082,[e-mail]eDesignandDevelopmentCo.,Ltd.3.Conserve&Assocites,Inc.TaiwanAbstract:Anewkindofactiveseatbletsmatchedvehicleaccidentwarningsystemwiththefunctionofprepretentionandcriticalalertwaspresentedinordertosolvetheproblemthattheseatbeltslackandoccupantforwarddisplacementarenotconducivetooccupantsinjuryprotection.Abenchtestontheperfermanceofactiveseatbeltswasconducted,thetestresultsshowthattheactiveseatbeltscouldremovebeltslackabout100mmwithin330ms.Andthemaximumgeneratedbeltforceofupto250N,whichwastwiceasmuchasthatofthesameproductabroad.Asimulationofoccupantrestraintsysteminfrontalcrachwasstudiedtoidentifytheeffectofwithorwithoutactiveseatbelts.Thesimulationresultsshowthattheactiveseatbeltscouldreduceoccupantforwarddisplacementwhichresultedintheoccupant‘spositionwouldbeclosertothenominalposition,increasingtheeffectivenessoftherestraintsystemintotal.Keywords:activeseatbelts;prepretension;occupantforwarddisplacement;vehicleaccidentwarningsystem1引言主动预紧式安全带(ActiveSeatbelt,AS)是指能在汽车碰撞事故之前完成安全织带回收预紧、并能可逆重复预紧的安全带，是自适应乘员约束系统中的重要组成部分，其使用必须配合汽车事故预警系统。当汽车事故预警系统检测到潜在的碰撞事故危险，主动预紧式安全带将被激活，在碰撞事故前预紧安全带，减少织带佩带间隙，显著减少乘员在碰撞事故前的身体位移量，使乘员身体姿态尽量保持在正常坐姿位置，最大程度地发挥乘员约束系统的性能，有效降低头部、胸部、2013第十六届中国汽车安全技术国际研讨会-30-大腿的碰撞损伤。主动预紧式安全带是主/被动安全集成一体化理念发展下的产物。例如BOSCH公司提出的CAPS体系[1]、TRW提出的APIA技术[2]，Continental公司提出的Conti-Guard系统[3]、Mercedes-Benz公司的Pre-Safe系统[4,7]等，这些名称各不相同的主/被动安全集成一体化技术理念都认为主动预紧式安全带是不可缺少的自适应乘员约束系统的执行装置。虽然其使用须配有汽车事故预警系统，导致整体系统的成本高昂，目前即使在欧美等发达地区也尚未广泛使用。但是，国外的几家大型的汽车安全配件厂家早已着手于主动预紧式安全带的研发，并且非常热衷于此，目前已推出各自的产品。例如Autoliv公司的PrepretensionSeatbelts，TRW公司研发的ActiveControlRetractor，都是主动预紧式安全带的代表性产品。然而，国内安全带的生产厂家仍着重于传统安全带的生产，对主动预紧式安全带的研究几乎是一片空白。只有清华大学、湖南大学在主动预紧式安全带的研发设计方面进行了一些开拓性的工作，并取得了一些成果。本文提出了一款主动预紧式安全带，完成了相应的结构设计、试制与试验。该主动预紧式安全带能够根据汽车事故预警系统发送的不同指令，分别实现提前预紧、危急提醒、危险解除后放松安全带的功能。同时，完成了主动预紧式安全带的台架试验，获得了预紧力-时间曲线；建立了用于汽车正碰模拟的乘员约束系统多刚体模型，对该主动预紧式安全带的防护效果进行了仿真研究；另外，该主动预紧式安全带与汽车事故预警系统匹配连接，在国内某大型客车上完成了试装，并进行了道路行驶试验，实际使用效果良好。2原理与结构设计安全带在平常使用中，为了乘员的舒适，其回收力不能太大，否则会压迫乘员身体，导致佩带不舒适。这样就导致安全带与人体之间总有一定的间隙，当乘员衣服较厚时，此间隙会更大。在碰撞时，此佩带间隙将减小安全带的有效作用，降低安全带的效能。同时，根据相关调查统计[2,6]，在汽车碰撞事故（特别是正碰事故）发生之前，大部分驾驶员会采取紧急制动或转向措施，试图避免事故发生。紧急制动能够降低汽车的有效碰撞速度，但是，在同样的有效碰撞速度的正碰事故中，经紧急制动减速后的正碰事故给乘员带来的损伤比未经紧急制动减速而产生的乘员损伤要更严重一些。这是因为紧急制动过程中，乘员在惯性力作用下，其坐姿、位置都发生了改变，离开了乘员约束系统能发挥正常约束防护效能的合适位置[2]。SusumuEjima利用志愿者研究了人体在紧急制动过程中的乘员动态位移[5]，如图1所示。图1紧急制动过程中的乘员位移图2主动预紧式安全带的结构形式鉴于安全带佩带间隙与事故前乘员的位移不利于乘员损伤防护，主动预紧式安全带的研究开发也就成了必需。本文提出的主动预紧式安全带，由直流驱动电机、减速传动系统、卷收器（带限力器与锁止器）、安全织带组成，如图2所示。减速传动系统中设计有减速轮系和离合器，离合器连接减速轮系与卷收器芯轴。在平常使用中，离合器处于分离状态，卷收器芯轴能自由双向旋转，安全带的佩带或放松与普通安全带没有任何区别。当需要预紧时，直流驱动电机启动，离合器啮合，带动卷收器芯轴旋转回收安全织带，直至安全织带被拉紧，电机负载过大而被堵转为直流驱动电机卷收器减速传动系统安全织带2013第十六届中国汽车安全技术国际研讨会-31-止。直流电机驱动实现预紧使得安全带可以重复多次预紧，避免了爆燃式预紧装置只能使用一次的缺点，还能根据汽车事故预警系统的指令，实现危急提醒的功能。与本文的主动预紧式安全带匹配的汽车事故预警系统由盲区侦测(BlindSpotDetection,BSD)、车道偏离(LaneDepartureWarningSystem,LDWS)、前碰撞预警(FrontCollisionWarning,FCW)三个子系统组成。盲区侦测子系统能够自动判断车辆左右两侧视觉盲区内是否有其他车辆或行人，车速超过30Km/h时自动激活；车道偏离子系统能自动判断车辆是否保持在目前行车道内，可以反应驾驶员注意力状态，车速超过50Km/h时自动激活；前碰撞预警子系统能够判断自车与前方目标物的距离和潜在事故发生的可能性，车速超过50Km/h时自动激活。这三个子系统都能独立自主决策是否发送‖危急提醒‖控制信号，主动预紧式安全带在接收到此危险信号后，将柔和地、小幅度地抽动安全带三次，以提醒驾驶员注意当前行车状态。而―提前预紧‖则只能由前碰撞预警子系统控制发送，当潜在事故不可避免地将要发生时，主动预紧式安全带在接收到该信号后将启动预紧，直至安全带预紧完毕、直流电机堵转时才结束。图3主动预紧式安全带预紧力-时间曲线3台架试验为了验证本文提出的主动预紧式安全带的工作性能，利用安全带测试台架，开展了相关试验。首先按照主动预紧式安全带产品定型要求试制了一套结构样件；然后参考GB14166-2003附录D台车实验中对安全带固定点安装位置的规定，制作了主动预紧式安全带测试台架。考虑到不同身材尺寸、肥胖程度对主动预紧式安全带预紧性能的影响，有多名志愿者参与了试验。试验中分别利用一个安全带张力传感器测试了主动预紧式安全带的预紧力与预紧时间；利用条形目标纸估算了主动预紧式安全带的预紧长度。具体结果如表1所示。图4实验台架图5主动预紧式安全带预紧力-时间曲线2013第十六届中国汽车安全技术国际研讨会-32-表1不同志愿者预紧结果性别身高/体重(cm/kg)肥胖程度最大预紧力/预紧时间(N/ms)预紧长度(mm)志愿者1男168/58正常245/320约100志愿者2男172/65正常253/330约100志愿者3男177/82偏胖255/330约110a预紧前b预紧后图6志愿者3试验效果对比由表1可见，主动预紧式安全带的三名志愿者预紧试验中，最大预紧力约为250N，预紧时间约为330ms；但是志愿者3的预紧长度约为110mm，较另两位志愿者约长了10mm。这是由于志愿者3身材较另两位高大，且偏肥胖，佩带安全带时拉出织带较长，而且预紧时身体压缩现象较另两位严重而引起的。但是从总体看来，不同身材尺寸、肥胖程度的乘员对主动预紧式安全带预紧性能影响不大。如果志愿者穿着服装较厚（如羽绒服、棉衣等），则主动预紧式安全带预紧时间与预紧长度均会有所增加。此外，从试验结果可以得到本文提出的主动预紧式安全带的最大预紧力约为Autoliv与TRW开发的同类产品的2倍，预紧时间也约为2倍[2,4]。较大预紧力能够更有效地减少织带佩带间隙，进一步减少乘员在碰撞事故前的身体位移量。同时，与之相匹配的汽车事故预警系统能够在潜在事故发生前1.5s发出预紧控制信号，给主动预紧式安全带发挥作用提供了充足的时间裕度。4仿真研究为分析对比有、无主动预紧式安全带―提前预紧‖功能对汽车正面碰撞乘员损伤防护的作用，本文利用MADYMO软件建立了以某型轿车驾驶员侧相关尺寸及性能参数为依据的乘员约束系统仿真模型，并完成了模型的有效性验证。该模型主要包括车身模型、转向系统模型、座椅模型、安全带模型、安全气囊模型以及假人模型，选用MADYMO分析软件中自带的HybridIII男性第50百分位椭球假人进行定位。其中安全带模型包含了织带、预紧器、限力器、高度调节器、固定锚点和带扣等。织带采用三角形单元的有限元安全带(FB)和传统的多体安全带(MB)相结合的方式，可以模拟安全带在假人身上的滑动和摩擦，更精确地模拟安全带与假人的相互作用。模拟传统安全带的仿真模型未定义卷收器的卷收特性，而模拟主动预紧式安全带的仿真模型则使用Force-Payout方法定义预