毕业设计（论文）-汽车安全带锁扣的设计.doc

上海工程技术大学毕业设计（论文） 汽车安全带锁扣的设计提供全套毕业论文，各专业都有摘 要安全带锁扣是汽车安全带总成上重要的一环，它的作用是锁住安全带防止挣脱的紧固装置和需解开安全带时的开关作用，其性能的好坏直接影响到汽车安全带的性能，即直接影响到驾乘人员的生命安全。本文对安全带锁扣的结构，工作原理进行了阐述。对国家相关的标准法规进行了仔细研究。依照ece-r16法规（规定安全带材料及刚性部件的性能要求）、gb 14166-2003（机动车成年乘员用安全带和约束系统）等相关法规的标准，使用ugcad建立了安全带锁扣的三维模型。在确定了各零部件的材料后，对安全带锁扣的锁止过程中的主要部分，如锁舌的运动过程进行受力分析，对主要受力的部件，如锁止片进行了强度校核；同时对锁扣释放过程中的各部件的力传递进行分析和受力计算。通过计算，得出了开启锁扣所需要施加的最小力和按下按钮所需要施加的最小力，并用国家标准中的许用数据进行校核。最后，绘制安全带锁扣各零部件的二维工程图纸和整个锁扣的二维装配图纸。关键词：安全带，安全带锁扣，国家标准，ug，受力分析，强度校核design of the automobile safety belts buckleabstractsafety belts buckle is an important aspect in automobile safety belt assembly . its role is the fastening device to prevent the seat belts locked unshackling and the switch role to take unfasten their seat belts.its performance will have a direct impact on the performance of automobile seat belts,even have a directly affect to the lives safe of occupants.in this paper, i expounded the structure of the belts buckle and working principle . i studied the relevant national standards and regulations carefully. in accordance with regulations such as ece - r16 (which provides materials of seat belt and performance requirements of the rigid parts), gb 14166-2003 (seat belts used by adult passengers and restraint systems in motor vehicle) and other regulations, made 3d models of a safety seat belts . in determining the components of the materials, worked for a force analysis to the main partof the locking process of the buckle,such as the campaign process of the latch plate.worded for a strenth tset to main forced part,such as locking unit.meanwhile, worked for a analysis to the force transmission in the release process. by calculating, get a minimum force which need to open the lock and get a minimum force which need to press the button. finally, draw the 2d engineering drawings of all the components of the buckle and the whole assembly lockstitch 2d drawings.key word: seat belts, seat belts buckle, national standards ug,static, strenth tset汽车安全带锁扣的设计楼申琦 02611320 引言当今全球的汽车工业已经进入一个颠峰时期，汽车保有量急速增加。在汽车交通运输发达的国家，汽车安全问题已成为威胁社会发展的严重公害，不仅造成巨额的经济损失，而且会导致残疾人口上升和家庭不幸等诸多社会问题。全世界每年因交通事故死亡的人数已高达50万人之多，伤1000万人以上。我国交通事故特征，明显地分为两个阶段。20世纪50年代70年代，由于汽车保有量少，公路交通系统不发达，平均车速比较低，所以交通事故伤亡人员以行人为主。20世纪80年代尤其是进入21世纪以来，汽车保有量迅速增加，公路交通系统得到大大改善，平均行车速度大大提高，交通事故伤亡人员的比例有了很大变化。根据1997年交通事故死亡人员的统计，汽车司乘人员占32.6%，行人占26.5%自行车使用者占21%，摩托车使用者占14%。我国是世界上发生交通事故最多的国家之一，近几年每年的交通事故均在数十万起，直接经济损失十几亿元，并且呈逐年上升趋势，面临严峻的汽车安全公害状况，令人堪忧。如此一来，如何提高汽车的安全性就摆上了人们的议事日程上来。汽车安全性主要包括两方面：主动安全性和被动安全性。主动安全性是交通事故发生之前的安全性，涉及汽车的动力性、操作稳定性、舒适性等等方面，目的是为了让驾驶员在危险情况发生时能够有效地采取措施进行逼让。被动安全性是事故发生之后的安全性，主要涉及汽车安全结构、司乘人员的保护系统等，研究目的是尽量减少事故发生后司乘人员和行人直接受害程度。由于社会经济的大发展，汽车的日益普及和大众化，要求汽车在高速行驶中具有很高的可靠性和安全性。汽车安全性设计分为主动安全性和被动安全性，安全带是实现被动安全性的重要部件，安全带的作用被抬高到了一个前所未有的高度。作为安全带总成中重要组成部分安全带锁扣的结构日益复杂，它的作用是锁住安全带防止挣脱的紧固装置和需解开安全带时的开关作用，它的可靠性设计是安全带发挥作用的保证。1 安全带及安全带锁扣的介绍1.1安全带最初的汽车安全带是瑞典人发明的，自本世纪40年代别克轿车将安全带作为标准配置后，美国将安装和使用安全带确定为强制性的联邦法规，由此开始了安全带的大规模普及。当时的安全带仅仅是简单的两点式腰部约束，其约束的松紧程度完全由驾驶者自己调节。经过40多年的发展，安全带逐渐走向成熟，现在的安全带均由强度极大的合成纤维制成，带有自锁功能的卷收器，采用对驾、乘人员的肩部和腰部同时实现约束的三点式设计。系上安全带后，卷收器自动将其拉紧，当车辆万一出现紧急制动、正面碰撞或发生翻滚时，乘员会使安全带受到快速而猛烈的拉伸，此刻卷收器的自锁功能可在瞬间卡住安全带，使乘员紧贴座椅，避免摔出车外或碰撞受伤。安全带按固定点数分类，有两点式、三点式、四点式和六点式等。两点式安全带不可用于前方有转向盘和前挡板的前排坐椅。三点式是在两点式的基础上，加一跟斜跨到肩部限制上半身的织带制成。一般前排坐椅和后排坐椅两侧装用三点式，后排坐椅中间装用两点式腰带。三点式安全带可同时限制司乘人员的腰部和上半身，安全性高。四点式安全带在普通轿车上也有装用。六点式安全带在高速赛车上采用。这些安全带的安全性高，但解系烦琐，束缚性强，不便于身体自由活动。按卷收器类型安全带又可分为无锁式、手调式、紧急锁止式、预紧式和限力式六种。紧急锁止式安全带是目前我国使用最广泛的一种安全带。它要求安全带对织带的拉出加速度、汽车减速度及汽车的倾斜角度敏感。预紧式安全带是近年来发展起来的一种安全带。这种安全带是在普通安全带基础上增加预紧器构成的，当碰撞达到一定的强度时，预紧器启动，带动锁扣回缩或卷收器回转，使安全带缩短。限力式安全带也是近年来发展起来的一种安全带。当发生碰撞时，安全带会发生很大的拉力限制司乘人员的运动，有时可能达到伤害人体的程度。限力式安全带增加限力机构，防止拉力过大对人体造成伤害。1.1.1 安全带的组成结构汽车座椅安全带是由织带、带扣（锁扣）、卷收器、锁舌、长度调节器、织带方向转换装置及安装装置等构成。如图2.1。图1.1 安全带总成1.1.2 安全带的固定件结构最常用的三点式安全带的各个组成部分。带子由结实的合成纤维织成，包括斜跨前胸的肩带，绕过人体胯部的腰带。在座椅的外侧和内侧地板上各有一个固定点，第三个固定点位于座椅外侧车身支柱的上方。 绕过上方固定点的环状导向板，带子伸入车身支柱内腔并卷在支柱下端的收卷器内。乘员胯部内侧附近有一个插扣，插扣由插板(松套在带子上)和锁扣(与内侧地板固定点相连)两部分组成，该两部分插合后即可将科员约束在座椅上。 按下插扣的红色按钮就能解除约束。收卷器有好几种结构型式，功能较完备的是紧急锁止式收卷器(elr)。该种结构在正常情况下，安全带对人体上部并不起约束作用。当乘员向前弯腰时，带子可从收卷器经由上方固定点的导向板被拉出；而当乘员回复正常坐姿时，收卷器又会自动将带子收起，使带子随时保持与人体贴合。但在紧急情况下亦即汽车减速度超过预定数值时或车身严重倾斜时，收卷器会将带子卡住从而对乘员产生有效的约束。1.2 安全带锁扣介绍 安全带锁扣是安全带带体与车辆内部连接的部分，同时更是起到了固定和解除固定安全带锁舌的作用，是汽车安全中的一个重要部件，它的可靠性设计是安全带发挥作用的保证。作为安全带总成中重要组成部分安全带锁扣的结构日益复杂。1.2.1 锁扣的分类 锁扣的结构形式有：锁杆式，锁销式和间接锁止式。锁杆式锁扣由于其支撑杆所受力矩较大，为保证刚度和强度要求加厚了板料，所以尺寸较大，现在很少采用。锁销式锁扣的按钮行程较大，但目前仍在使用。间接锁止式锁扣目前较为常见，其按钮行程小，所需的解脱力也不大。佩带安全带时，将安全带下沿的锁舌插入锁扣，锁扣里的锁紧装置应该保证再不按下解开按钮前，安全带不会自动脱离锁扣；同时，在需要解开安全带时，应该保证使用一定大小的力就应该解除锁止状态。1.2.2 锁扣的设计要求对安全带锁扣有许多要求：1、造型美观，加工平整，无锐利的棱角和过大的间隙；2、尺寸及形状应保证在发生事故时对乘客不产生不适当的压力和伤害；3、锁扣与锁舌的结合应简单、可靠，能承受规定的压力，并在规定的拉力作用下可轻易解脱；4、对按钮式锁扣的按钮部位、面积有一定的规定，对包围式按钮，面积最小为4.5cm2，最小宽度为1.5cm；非包围式按纽，面积最小为2.5cm2,且按钮应清晰可见；5、锁扣的位置应布置在乘员一只手可以解脱的位置上，并且在紧急状况时，他人能轻易为之解脱；6、满足耐磨性、耐候性、耐压性的要求；7、解脱力应在137n以下。1.2.3 相关国家标准和法规gb 14166-2003 机动车成年乘员用安全带和约束系统gb8410-1994 汽车内饰材料的燃烧特性 gb11551-2003 乘用车正面碰撞乘员保护 cnca-02c-026 2004机动车辆类强制性认证实施规则ece-r16法规 规定安全带材料及刚性部件的性能要求1.2.4技术指标开启力：带扣锁的开启力(即施加在开锁按钮上的压力)不得大于137n。同时不能存在偶然或者用小于10n的力打开带扣的可能性。正常开启次数：大于5000次包围型按钮的按钮面积不小于4.5cm2，最小宽度为1.5cm；非包围式按纽，面积最小为2.5cm2，最小宽度不得小于1.0cm。承受的载荷：实验中加载14700n的载荷。2 锁扣的整体设计2.1 锁扣的组成结构这款安全带锁扣的主要部件包括：外壳，底壳，按钮，锁止片，滑块，2个杠杆机构，2个弹簧，和一个与车身相连的连杆。见图2.1图2.1 锁扣结构2.2 整体设计要求锁扣的设计尺寸和形状应该保证在发生事故时，对乘客不产生不适当的压力和伤害。而且布置的位置应在乘员一只手可以解脱的位置上，并且在紧急状态下，他人能够为之解脱。这就要求在设计时，锁扣的整体尺寸要较小，各零部件的运动范围也较小，操纵件的操纵幅度不能过大。2.2.1 各可动零部件的运动范围（行程）锁舌的行程为从进入锁扣开始到锁止为止，为32mm；滑块行程为9mm；滑块底部的弹簧的行程为11mm；按钮底部的弹簧的形成为12mm；锁止片的运动范围是在底框的锁止片槽内，角度在15度左右；弹簧钢片的运动范围是166度172度2.2.2 各零部件材料的选择表2.1 锁扣零件材料列表零件名称数量材料外壳1abs塑料底壳1abs塑料底框145号钢锁止片145号钢杠杆机构2abs塑料弹簧钢片165mn弹簧265 mn紧固片145号钢按钮滑块11abs塑料abs塑料连杆145号钢为了从锁扣的轻量化和经济化考虑，锁扣的零部件不必都使用金属材料，受到的力和冲击小的零部件可以用较轻的材料来替代。本设计中，外围的零部件，如外科，按钮，是使用abs塑料作为材料的，锁扣内部的底框和锁止片等受力和冲击较大的零部件使用45号钢为材料。表2.1分别列出了详细的锁扣零件材料。表2.2列出了这些材料的特点和性能。表2.2 材料特点和性能一览 材料名性能45号钢65mnabs塑料弹性模量（mpa）206x103200x103200x103抗拉强度（mpa）60073535特性强度较高，塑性和韧性好，焊接性较差。强度高，韧性好，但淬透性差。不透明，着色新好，无毒无味，有极为优良的抗冲击强度。用途用于制造负荷较大的小截面零件。适于做小尺寸弹簧各种注塑件3 锁扣的零部件设计3.1 外壳外壳用塑料制作，造型应美观，加工平整，无锐利的棱角和过大的间隙。在外壳的顶部开有锁舌插槽见图3.1，在两侧内壁上开有用来与底壳紧合的凹槽（见图纸）。正面开有安装按钮的位置。底部开有放置连杆的半圆槽。内部有放置弹簧的平台，弹簧的另一端与按钮底部相连（见装配图）。材料：abs塑料 工艺：注塑图 3.1 外壳3.2 底壳底壳以塑料为材料，加工平滑。外形与外壳相匹配，两侧有与外壳两侧内壁上的凹槽相匹配的凸起结构。外壳与底壳以次紧合。底部也开有半圆槽，与外壳合并后，形成一圆孔，供连杆穿过，见图3.2。材料：abs塑料 工艺：注塑图 3.2 底壳3.3 按钮按照gb14166-2003的规定，按钮顶部刻有“press”字样，字母突起高度为0.15mm，按钮的表面积为3.7cm2,符合gb14166-2003的标准。材料为塑料，颜色为红色。内侧有放置弹簧的平台，弹簧的另一端与外壳相连，见图3.3。两侧延伸端能够与2个杠杆机构接触。 图3.4和图3.5是按钮的运动范围中的初始和终了位置。材料：abs塑料 工艺：注塑图 3.3 按钮图3.4 按钮的非工作位置图3.5 按钮的行程终点的位置3.4 锁舌锁舌的材料一般一钢材为主，我选用的是45号钢。锁舌的下方开有孔槽。见图3.6。材料： 45号钢 工艺：热处理图 3.6 锁舌3.5 弹簧锁扣中的弹簧是释放锁扣时的主要动力源。选用“碳素钢65mn”作为材料，具体数据如下：表3.1弹簧的参数转数螺距距离公差122mm0.0254角度公差节距旋向0.52mm右手材料：碳素钢65mn 工艺：淬火，回火图 3.7 弹簧3.6 锁止片锁止片以45号钢为材料。两侧有一长一短的突出部分，各自与底框上的相应的滑槽中。下方开有一倾斜的凹槽，弹簧钢片压在这上面。凹槽突出在锁止片外的部分成为了卡住锁舌的主要受力表面。见图3.8。材料：45号钢 工艺：热处理图 3.8 锁止片3.7 杠杆机构图3.9，杠杆机构的a端小，b端大，这样可以将从按钮传递过来的力进行放大，再传递给锁止片。杠杆机构以一个圆台作为支点，支点定位在底框侧壁的定位孔中，它离b端较近。a端也是一个圆台，但突起方向与支点相反。b端中间开有一个月牙槽，因为杠杆机构的运动范围，即最大转角较小，再加上杠杆机构和锁止片都是在绕着其支点作曲线运动，为了避免发生运动干涉，或是无法接触到对方，所以将槽设计成图示的样子。月牙槽用来套在锁止片较长的延伸部上。材料：abs塑料 工艺：注塑图 3.9 杠杆机构3.8 底框底框的材料是45号钢。它的两侧有很多大小形状不一的滑槽，分别是安装锁止片、杠杆机构、弹簧钢片的。底面开了2个大的槽，一个装有导轨，它是安装和定位滑块的。导轨后是一个半圆凸起物，它是安装弹簧的地方，弹簧的另一端接在滑块下方，见图3.10。图3.11和3.12展示了杠杆机构、锁止片和底框3个有装配关系的零部件的运动范围。材料：45号钢 工艺：热处理图 3.10 底框图3.11 锁扣未工作时，杠杆机构和锁止片的位置图3.12 锁扣锁止时，杠杆机构和锁止片的位置3.9 滑块滑块的材料是塑料。它的一面是为增加滑块与锁舌之间受力的宽度而做的筋板，顶端有倒角。另一面是供导轨通过的导轨槽和放置弹簧的半圆槽。见图3.13。材料：abs塑料 工艺：注塑图 3.13 滑块3.10 弹簧钢片弹簧钢片安装在底框上相应的滑槽上，并且固定住。压片能够在一定范围内转动，且有回复力。材料：弹簧钢 工艺：回火，淬火。图 3.14弹簧钢片3.11 紧固片紧固片盖在连杆上，用铆钉固定在底框上。拱起处供连杆穿过。材料：45号钢 工艺：热处理铆钉图 3.15 紧固片3.12 连杆连杆一端是紧固螺帽，它能帮助紧固片将连杆的这一端固定在锁扣内部。另一端与整个锁扣安装定位部分相连，定位孔将整个锁扣固定在汽车车身内部。连杆部分的长度一般由车身内部具体情况而定，一般是从驾驶室底部到座椅的这段距离。材料：45号钢，工艺：热处理图 3.16连杆4 锁扣的工作原理结合图4.1，图4.2，图4.3来说明下安全带锁扣的工作原理。图 4.1 锁扣结构图图 4.2 锁扣背面结构图图 4.3 锁扣效果图4.1 锁止过程当带扣插入锁扣中时，首先接触滑块的受力面，滑块受力后，沿着导轨向下运动。如图3.5所示，锁止片中部有一块向下凹陷下去的地方，一块装在底框上的弹簧钢片倾斜地压在下凹的地方。锁舌上也有与锁止片的下凹处尺寸相匹配的孔槽。所以，当锁舌运动到锁止片的下凹处正好进入锁舌的孔槽时，锁止片会受到弹簧钢片的回复力作用，被它向下压住，这样下凹处就能卡住整个的锁舌。这样就达到了锁住锁舌，从而固定安全带的目的。锁扣的始末状态见图4.4和图4.5。图 4.4 锁舌开始插入锁扣图 4.5 锁扣锁止效果图4.1.1 受力分析锁舌插入锁扣后，先与滑块的受力面接触，将外界施加的下压力传递给了滑块。滑块沿着导轨向力的方向移动，滑块的另一侧连着弹簧，弹簧受力压缩。由于锁舌的前端并没有开孔槽，所以锁止片不起作用，当有孔槽部分的锁舌进入锁止区域时，锁止片的下凹槽受到弹簧钢片向下的回复力，往下运动，外伸块挡住锁舌的孔槽壁，使得锁舌无法向锁扣外撤出，图4.6为受力过程图。锁止后的受力如图4.7所示。克服弹簧回复力插入锁舌的力锁止片卡入锁舌的孔槽内弹簧钢片的压力滑块锁舌锁止片图4.6受力过程图1） 锁止片的受力计算f1f弹图4.7 锁止后锁舌与锁止片的受力图f弹滑块后的弹簧的回复力f1弹簧刚片施加在下凹处的压力，其方向与弹簧刚片的压片角度有关。一、弹簧刚度的选择 取k=3.5n/mm.二、锁止时的受力计算 (4.1) (4.2)弹簧钢片压片与水平方向的夹角。经测量，=166度；设在锁扣未锁止时，弹簧钢片的压片压在锁止片时正处于最大转角处 ，= e弹性模量，查机械设计实用手册p768表4-1-4，得；i惯性矩，查材料力学1（第2版）附录c，得，经测量，h=1mm,b=5mm, .l压片长度，见图3.10，经测量，l=19mm。弹簧原长；弹簧受力后的长度；根据公式4.1，得根据公式4.22） 锁舌在运动过程中的受力分析锁舌受到外力进入锁扣，到接触到滑块顶端之间这段时间内是不受到弹簧阻力的。当锁舌接触到滑块，并继续沿着力的方向运动时，就会受到弹簧回复力的阻挠。在这期间，可以将锁舌的运动看作是匀速运动，因此，依照牛顿第一定律，f=0。即 (4.3)f0 锁扣受到的外力；f弹 弹簧的回复力；锁舌越往锁扣内部移动，受到的弹簧回复力越大，需要的外力也就越大。按照滑块的最大行程为10mm，弹簧的刚度为3.5mm。f0 max= f弹 =42n结论：锁舌插入锁扣需要最大的力为42n。4.1.2 强度校合当安全带锁扣锁止后，应该达到能够承受gb14166-2003规定的14700n的实验载荷。由于施加在锁舌上的实验载荷是沿着锁舌方向的，所以理论上锁止片不会因此被抬起。所以在计算强度校合时，弹簧的回复力和弹簧钢片的压力忽略不计，仅对锁止片的强度进行校合。14700n图4.7 锁扣受到的实验载荷根据图4.7计算压应力(4.4)施加在锁舌上的载荷，；锁止片下凹处的截面积，经测量， ；根据公式4.4，得；经查机械设计实用手册p298的表2-1-8，45号钢的许用抗压强度。，因此设计强度符合要求。4.2 释放过程当向按钮施加一个在规定范围内的力时，按钮向下运动，由于按钮两侧的下方是梯形的形状，所以按钮运动到一定位置时，会将作用在按钮上的力一部分施加到杠杆机构上。这样，杠杆机构与按钮相接触的一端（a端）会被向下压，另一端（b端）则被抬高。锁止片两侧有两个向外延伸的部分，而杠杆机构的b端通过一个月牙槽套在了较长的外伸部分上。这样一来，当b端抬高时，锁止片在底框的锁止片槽的范围内绕着锁止片较短的外伸端向上作圆周运动。当锁止片克服了弹簧钢片的压力后，锁止片的下凹处就被移出了锁舌的孔槽，这样锁舌就会受到滑块底下的弹簧的回复弹力，被弹出锁扣。这样就达到了释放安全带的目的。结合图4.8和图4.9能够更加直观地了解这个过程。对比两图中的箭头处，明显可以看出锁舌被弹了出来。图4.8锁扣锁止时效果图图4.9 按下按钮后的锁扣效果图4.2.1 受力分析 结合图4.10，来对释放锁扣时的受力状况进行分析。f3f2nf2f2图4.10 释放锁扣的瞬间受力分析图f2 施加在按钮上的压力；f弹 弹簧的回复力；f2 克服弹簧的回复力后的压力；f2 f2切线方向上的分力； f2n f2法线方向上的分力； f3 传递给锁止片的力；释放锁扣时，对按钮施加压力，当这个力克服了弹簧的预紧回复力后，按钮开始向压力方向运动，当接触到杠杆机构的a端后，将力传递给了杠杆机构，使杠杆机构产生了一个绕着它的支点的顺时针旋转的力矩，从而通过b端的月牙槽将力传递给了锁止片。当锁止片从杠杆机构得到的力克服了弹簧钢片的压力后，锁舌就会被滑块后的弹簧弹出锁扣，从而释放整 个安全带。受力过程图见图4.11。产生力矩f2克服弹簧回复力锁止片杠杆 机 构按 钮克服弹簧钢片的压力锁扣释 放图4.11 受力过程图一 受力计算 设各个力都作用在同一水平面上，a端的受力点在圆台的圆心处。(4.5) (4.6) (4.7)1 按钮侧边上接触杠杆机构的接触面与水平方向的夹角；2 底框侧壁上锁止片槽上边与下边的夹角； a端圆心到支点圆心的距离； b端圆心到支点圆心的距离；由式4.5，4.6，4.7可推出：，对模型进行测量，此时按钮的行程为9mm，即弹簧有了9mm的压缩量。根据公式4.2，。经过测量，得到1=25.5度，2=15.2度，=14mm，=8.5mm。(4.8)f3nf1nf3n图4.12 锁止片受力分析图f3n f3在图4.12所示平面的法向分力；f1n f1在图4.12所示平面的法向分力；如图4.12，因为锁止片两端各自连着一个杠杆机构，所以左右两端都会受到f3的作用。在锁扣释放的瞬间，再根据式4.8，可推出：弹簧钢片压片与水平方向的夹角。经测量，=166度；根据4.1.1的计算，f1=50.2n。这样就可以计算出打开锁扣的瞬间，施加在按钮上的力。根据gb14166-2003的规定，打开锁扣的力应该小于137n，故符合标准。规定中还提到为了避免锁扣意外释放，应该避免以10n的力打开锁扣的可能性。经测量，在按钮归零位置，按钮下方的弹簧有4.5mm的变形量，按找公式4.2,经计算可得弹簧预紧回复力为15.75n，也就是说，小于15.75n的力是不能按动按钮的，故符合标准。5 锁扣连接件的强度校合5.1 连接件介绍锁扣与车身内部的连接是通过连杆末端的定位孔依靠螺栓与车身内部连接的。当车辆紧急刹车时，座位上的乘员由于惯性产生向前的冲力，这个力除了被安全带织带和预紧限力装置吸收一部分外，也有相当一部分力会传递到锁扣连接件上，这就要求连接件除了有较好的预紧力外，还要具备教好的力学性能。根据以上原因，本设计的锁扣的连接件使用以45号钢为材料的六角头螺栓。5.2 验算连接件强度假设乘客体重75kg，车辆以每小时80公里的车速紧急刹车，在2秒内车速降为零，而且连接件承受产生的全部的冲力。根据牛顿第二定律，f=ma。m是质量，a是加速度。上述情况下，产生的冲力5.2.1 计算预紧力预紧力公式查机械设计实用手册p587，表3-2-2。 (5.1)f0 所需预紧力，n；kn 可靠性系数，通常取kn=1.11.3；r 横向载荷，n；z 螺栓个数；m 摩擦面的数量；f 接合面间的摩擦系数，查表5-1；kn 取1.3；r=f=389n；z取1；m取2；经查表5-1，f取0.1。代入式5.1： 表5-1 预紧连接接合面的摩擦系数f值被连接件表面状态f值钢或铸铁零件干燥的加工表面0.10.16有油的加工表面0.060.10刚结构喷沙处理0.450.55涂覆锌漆0.350.40轧制表面，钢丝刷清理浮锈0.300.355.2.2 校合螺栓拉伸强度校合公式见机械设计实用手册p587，表3-2-2。(5.2) (5.3)as 螺栓部分危险截面的计算面积， ，mm2n 安全系数，当控制预紧力时，n=1.21.5； 屈服强度，mpa； 拉伸许用应力，mpa；n 取1.5，45号钢的屈服强度为360mpa，根据公式5.3可得：(5.4)5.2.3 计算最小螺栓直径根据公式5.4，可推出：又因为，所以可得出：；5.2.4 小结由于计算得出的最小直径为0.41mm，120.41，所以设计的连接件45号钢为材料的六角头螺栓符合设计标准。当车速为假设的2倍，即160公里的时速，经过计算得出的最小螺栓直径为0.58mm，设计的连接件依然符合标准。6 安全带锁扣其他的应用目前，传感器在汽车上的应用已经很广泛了，安全带锁扣这一重要的配件将来也会安装传感器，用电控的方式来起到调节安全带的松紧和碰撞发生时的限力的作用。这是我在汽车电器刊物2004年no.10中看到的一篇题为新型安全带提示装置的研制与开发的论文，它就是将锁扣改装后，使其能够提醒乘员使用安全带。该装置的工作过程如下：当驾驶员进人驾驶室并打开点火钥匙，控制器开始工作，汽车安全带声音提示装置的回路导通，控制器驱动音箱发 出提示声音，同时提示灯亮，提示驾驶员系上安全带，如果此时只是打开发动机或开启空调系统而不行车，驾驶员没系安全带，提示声音持续7s后停止，此时控制器在不停地检测车速，当车进人行驶状态且驾驶员未按提示系上安全带，控制器得到车速传感器的车速信号后，音箱在达到20 km/h的车速时持续发出提示声音，同时提示灯亮，提示驾驶员系上安全带，系上安全带后(安全带插扣插进安全带锁扣，安全带锁扣内的接触开关处在断开状态安全带提示系统电源被断开，从而提示声音停止，同时提示灯灭 )。锁扣开关安装在安全带锁扣内，其原理见图5.1。未系安全带时处于常闭状态 ，此时滑动固定卡处在接触板上部，通过弹性连接片a与b端导通;系上安全带，插扣推动弹簧压缩，滑块下行，从而带动滑动固定卡下行，当弹性连接片越过c处时，a与b被断开，从 而切断通过a, b的电流，关闭安全带提示装置的控制器，停止声音。图6.1 该锁扣的结构示意图这个产品可以看出，在汽车进入传感器时代的影响下，安全带锁扣也能在进行传感器式的改进，使其赋有了一些其他的功能，例如预警功能。7 结论（1）本课题的关键是对安全带锁扣的结构和工作原理有一个详尽的了解，并对国家相关的标准法规心知肚明。在设计时，受力和强度要按照国标的标准来设计。（2）本课题进行了对安全带锁扣零件的三维建模，某些零件的尺寸严格按照国家标准来设计，例如按钮的受力面的尺寸。在建模的基础上，对零件的设计形状进行了说明和分析。在建模的基础上，将所有零件按尺寸和相应的关系装配起来。（3）本课题对安全带锁扣的锁止和释放过程进行了详细的说明，并对相关的零件的力传递情况进行了分析，并按照零（部）件的材料，进行了力学的计算。（4）本课题对gb14166-2003中的“安全带锁扣的载荷实验”中的载荷进行了强度校合，锁止片受到了100.68mpa,低于许用应力600mpa,结果符合标准。（5）本课题经过计算，得出释放设计的安全带锁扣所需的力不大于69.7n，符合gb14166-2003中“开启力不得大于137n”的标准。同时，该锁扣按钮最小的推动力为15.75n，符合gb14166-2003“不得存在小于10n的力打开锁扣的可能性”。（6）按照gb14166-2003中的规定，安全带锁扣必须进行耐磨性、耐候性、耐压性的实验，由于时间和设备的限制，本课题未进行上述实验。 (7) 本课题设计的安全带锁扣由于许多零部件使用了塑料材料，所以制造成本较低，设计形状利于大批量生产。与同类型产品相比，本课题设计的锁扣自重较小，开启力要求不高，儿童和妇女也能轻松打开。参考文献1 佐藤 武. 汽车的安全m.北京：机械工业出版社，1988:234-2362 崔靖.专用汽车设计m. 西安 : 陕西科学技术出版社, 1989:146-1483 自动车技术会.汽车工程手册（第一分册）m. 北京：机械工业出版社，1988:450- 452 4 张铁柱、张洪信.汽车安全、环保与节能m. 北京：国防工业出版社，2004:134- 136。5 黄世霖、张金换、王晓冬.汽车碰撞于安全m. 北京：清华大学出版社，2000:210-2136 黄天泽、黄金陵.汽车车身结构与设计m. 北京：机械工业出版社，2002:214-2167 刘惟信.汽车设计m. 北京：清华大学出版社，2001:168-1708 张洪信.汽车设计（第2版）m. 北京：机械工业出版社，1999:147-1509 吴亚良.现代轿车车身设计m.上海：上海科技出版社，1999：168-16910 乐玉汉.轿车车身设计m. 北京：高等教育出版社，2000：159-16111 郭竹亭.汽车车身设计m. 吉林：吉林科学技术出版社，1997：203-20512 中国汽车工程协会.汽车安全技术m. 北京：人民交通出版社，2004：211-21313 gb14166-2003. 机动车成年乘员用安全带和约束系统s.14 魏朗,刘浩学.汽车安全技术概论m. 北京：人民交通出版社，1999：198-20115 钱宇彬,胡宁.现代汽车安全技术m.上海：上海交通大学出版社，2006：112-11416 杨妙梁,薛志红.汽车安全系统结构与维修m.北京：中国物资出版社，1998： 133-135 17 national research council (u.s.). committee for the safety belt technology study. buckling up : technologies to increase seat belt usem. washington, d.c. : transportation research board, 2003：89-9618 david c viano. society of automotive engineers. seat belts : the development of an essential safety featurem. warrendale, pa : society of automotive engineers, 2003：68-7419 illinois. division of traffic safety.;united states. national highway traffic safety administration. seat belts : the facts of lifem. springfield, ill. : ill. dept. of transportation, div. of traffic safety,2002：79-8520 a. roberts , m. partain, s. batzer, d. renfroe failure analysis of seat belt buckle inertial releasea engineering failure analysisc 2006 译 文1汽车安全带锁扣惯性释放的失效分析roberts a, martin m, canalichio t摘要故障不仅发生在零件断裂或屈服压力的时候，它还能以零件不执行规定行动的特征所表现出来。一种称为惯性失效的普遍现象涉及到了汽车安全带锁扣机构。加速和减速造成的运动状态和惯性力伴随着现实世界的碰撞，例如汽车翻滚，能引发包围式按钮锁扣和非包围式按钮锁扣不想要的，非乘员意愿的释放，导致乘客受伤或死亡。这项研究表明了一些商业生产的非包围式按钮的安全带锁扣的失效模式，并列出相关的加速度实验。不必要的释放的法律证据的案例研究在实验中给出。关键词：失效；法律工程；安全；安全带；证据痕迹1 说明惯性失效，是指安全带锁扣不能起到保持安全带锁舌固定不动直到使用者刻意脱离为止的应有的功能。惯性失效发生在当安全带锁扣由于冲击和碰撞中的伴随着的冲量加速度导致失效的时候。虽然这项研究的重点是带扣的惯性失效，但某些带扣的设计仍存在着其他与之相关的失效模式。这些可以包括无意中的失效，在事故中，乘客剧烈摆动碰到了带扣的解除按钮从而引发的失效；以及没有锁上，锁舌的位置并没有使锁扣真正锁止住，但仍给人一种印象，由于固定部分的接触，它应该被正确的锁上了。还有各种常见的反馈。安装安全带/带扣的目的是在各种碰撞事故中保护车内乘客的安全。该装置应该在两车碰撞或者单车碰撞和翻滚中保护乘客。其职能是防止乘客撞在车身内部部件表面例如转向柱，挡风玻璃和仪表板及有助于防止乘客的部分和整体的身体被弹出车外，从而防止暴露在车外的危险中。显然，一个安全带锁扣由于受到平面碰撞或翻滚所产生的惯性力而失效，从而不能够完成它的预先设定的功能。美国联邦机动车安全标准209条1是针对安全带装置的安全标准。至于带扣的失效，该标准规定，带扣应该在设计时减少意外失效的可能性。意外失效的可能性被认可而且有无数的美国和外国的专利解决这一现象。charles benedict的美国专利号为2003年，6,539,595 b1称为“非惯性失效安全带锁扣约束装置”2。1个2002年的由山口等人申请的专利（专利号美国6370742b1）3这样表述：“该惯性杠杆部分不会在枢轴上转动，所以该惯性杠杆单元能被固定在固定销的路径上。在锁扣中，可以用一个简单的机构来有效地防止惯性失效。”田中的1991年的专利号美国50541714中声称“据此，由于惯性失效产生的锁舌与锁扣的脱离被防止了，并且两个单元的结合是可维持的。”名字解释：惯性失效：一种当锁扣受到由于碰撞引发的加速度时不能保持锁舌的位置的失效形式。锁舌：安全带的一部分，用来插进锁扣中的装置。包围式按钮锁扣：锁扣的释放按钮在外壳的顶部，向下压按钮可以释放锁扣。2包围式按钮失效的原因一个包围式按钮锁扣在碰撞中，尤其是翻滚碰撞中失效的主要原因是由于垂直加速度从汽车底盘传递到一个坚硬或半坚硬的锁扣固定杆上，然后进入锁扣里。涉及到巨大（虽然短暂）垂直冲击的痕迹经常可以在汽车的底盘上看到。插图1 标明了两个指示出在被检查车辆的底盘上非常引人注意的垂直载荷的痕迹。其中一个指示了冲击后前轴和悬架上的擦伤和刨伤。另外一个是在数圈弹簧圈上的摩擦区域，显示了弹簧上所受的全部的压迫。插图2，展示了车身由于与地面的冲击的损伤。左后方的四分之一仪表板和缓冲器在翻滚中都移位了几英寸以上。图1 车辆与地面碰撞后车底的痕迹图2 垂直冲击后的车辆受损情况3安全带使用的迹象在事故处理中，由警察担任事故调查员是很常见的，任何乘客被完全甩出或在事故顺序的结束时没有系上安全带的，在开始的时候也没有系上。因此，警察记录下司机或乘客没有戴安全带。然而，按道理说安全带锁扣容易受到惯性失效的影响，应该调查一些可以显示安全带最初是否使用的痕迹。一个正式的指标是乘客受伤的样式。肩部和颈部区域的淤伤是由于安全带的束缚造成的。乘客事故后的照片（插图3）或验尸官报告中草图（插图4）是两种可能成为证据的来源。安全带缠绕在乘客的外侧，在被甩出去的时候，骨头会被压断，软组织会被破坏。图3 安全带束缚后的肩部淤伤图4 验尸官报告中显示肩颈部的淤伤另一个证据的来源是安全带/安全带锁扣系统本身。锁舌上的多重的擦伤证实了乘客使用时的模式。塑料d型环和锁舌滑动环可以记录下伤害的痕迹。意外的安全带的载荷可能会导致在塑料上能看到条痕。插图5和6展示的是塑料d型环上的条痕指示着安全带的使用方法。工程院正在进行的实验，目的为了量化在塑料d型环上留下明显的痕迹需要多少载荷。测试表明，要留下清晰痕迹需要的载荷要比日常使用时产生载荷的要大。这个结论意味着清晰的痕迹是一个事故中安全带载荷的指示器。数学建模使用madymo，将留下清晰痕迹的必要的载荷与事故严重性关联起来。正面碰撞以第5个百分点的戴安全带的女性和第50个百分点的男性为蓝本。模拟结果显示，一组第5个百分点的女性都经历了一个时速15英里（24公里）的纵向载荷，第50个百分点的男性都经历了一个时速10英里（16公里）的纵向载荷。人们要谨慎地认定在翻滚碰撞中d型环或滑动环上没有留下痕迹，那么就意味着乘客没有戴安全带。纵向载荷在翻滚事件中可以相当的低。因此安全气囊没有展开并不是十分罕见，甚至在剧烈的翻滚中，由于纵向载荷过于低，就会导致安全气囊没有展开。图5 塑料d型环上的条痕4包围式按钮锁扣和一个半刚性杆的测试插图7展示的是工程院测试安全带锁扣的固定装置。带扣和织带装载在一个被安装在一个直线轨道上的滑车上，滑车的一边安装了工业减振器。另一个在相同轨道上滑车上附加了一个加压汽缸。一旦解除锁止装置，冲击滑车开始加速直到它撞到载有锁扣的滑车，实验固定装置能承受不同程度的脉冲量级和持续时间，通过改变汽缸给予带扣的气压，同时测量冲击滑车上的冲击。用一个坚硬的三轴加速计和一个数