【文章內(nèi)容簡介】 汽車 安全帶鎖扣的設(shè)計 29 關(guān)。 一、彈簧剛度的選擇 取 k=二、鎖止時的受力計算 max1 22EIF l?? ??????????????????????? () )F k x??0彈 （ x ??????????????????????? () ? —— 彈簧鋼片壓片與水平方向的夾角。經(jīng)測量， ? =166 度； 設(shè)在鎖扣未鎖止時，彈簧鋼片的壓片 壓在鎖止片時正處于最大轉(zhuǎn)角處0 172? ?? ， max? = 0 1 7 2 1 6 6 6??? ? ? ? E—— 彈性模量， 查《機械設(shè)計實用手冊》 P768 表 414，得320 6 10E M Pa?? ； I—— 慣性矩，查《材料力學(xué) 1》（第 2 版）附錄 C，得 312bhI? ，經(jīng)測量， h=1mm,b=5mm, 13 10Im??? . l—— 壓片長度，見圖 ，經(jīng)測量， l=19mm。 0x —— 彈簧原長； x —— 彈簧受力后的長度； 根據(jù)公式 ，得9 1 31 322 20 6 10 10 3050 .2( 19 10 )FN???? ? ? ? ???? 根據(jù)公式 ) 3 .5 ( 2 4 1 2 ) 4 2F k x N? ? ? ? ? ?0彈 （ x 2） 鎖舌在運動過程中的受力分析 鎖舌受到外力進(jìn)入鎖扣，到接觸到滑塊頂端之間這段時間內(nèi)是不受到上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 汽車 安全帶鎖扣的設(shè)計 30 彈簧阻力的。當(dāng)鎖舌接觸到滑塊，并繼續(xù)沿著力的方向運動時，就會受到彈簧回復(fù)力的阻撓。在這期間，可以將鎖舌的運動看作是勻速運動，因此，依照牛頓第一定律， ∑ F=0。即 0FF? 彈 ?????????????? () F0—— 鎖扣 受到的外力； F 彈 —— 彈簧的回復(fù)力 ； 鎖舌越往鎖扣內(nèi)部移動，受到的彈簧回復(fù)力越大，需要的外力也就越大。按照滑塊的最大行程為 10mm，彈簧的剛度為 。 0( ) 3 . 5 1 2 4 2F k x x N? ? ? ? ?彈 F0 max= F 彈 =42N 結(jié)論：鎖舌插入鎖扣需要最大的力為 42N。 強度校合 當(dāng)安全帶鎖扣鎖止后，應(yīng)該達(dá)到能夠承受 GB141662021 規(guī)定的14700N 的實驗載荷。由于施加在鎖舌上的實驗載荷是沿著鎖舌方向的，所以理論上鎖止片不會因此被抬起。所以 在計算強度校合時，彈簧的回復(fù)力和彈簧鋼片的壓力忽略不計，僅對鎖止片的強度進(jìn)行校合。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 汽車 安全帶鎖扣的設(shè)計 31 圖 鎖扣受到的實驗載荷 根據(jù)圖 計算壓應(yīng)力 Nb FA? ? ??????????????????????? () NF —— 施加在鎖舌上的載荷， 14700NFN? ； A —— 鎖止片下凹處的截面積，經(jīng)測量， 210A mm? ； 根據(jù)公式 ， 得414700 1 0 0 . 6 81 4 . 6 1 0Nb F M P aA? ? ? ??； 經(jīng)查《機械設(shè)計實用手冊》 P298 的表 218， 45 號鋼的許用抗壓強度 ? ? 600b MPa? ? 。 ? ?bb??，因此設(shè)計強度符合要求。 釋放過程 當(dāng)向按鈕施加一個在規(guī)定范圍內(nèi)的力時，按鈕向下運動，由于按鈕兩側(cè)的下方是梯形的形狀，所以按鈕運動到一定位置時，會將作用在按鈕上14700N 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 汽車 安全帶鎖扣的設(shè)計 32 的力一部分施加到杠桿機構(gòu)上。這樣，杠桿機構(gòu)與按鈕相接觸的一端（ a端）會被向下壓，另一端（ b 端）則被抬高。鎖止片兩側(cè)有兩個向外延伸的部分，而杠桿機構(gòu)的 b 端通過一個月牙槽套在了較長的外伸部分上。這樣一來，當(dāng) b 端抬高時，鎖止片在底框的鎖止片槽的范圍內(nèi)繞著鎖止片較短的外伸端向上作圓周運動。當(dāng)鎖止片克服了彈簧鋼片的壓力后，鎖止片的下凹處 就被移出了鎖舌的孔槽，這樣鎖舌就會受到滑塊底下的彈簧的回復(fù)彈力，被彈出鎖扣。這樣就達(dá)到了釋放安全帶的目的。結(jié)合圖 和圖 能夠更加直觀地了解這個過程。 對比兩圖中的箭頭處，明顯可以看出鎖舌被彈了出來。 圖 鎖扣鎖止時效果圖 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 汽車 安全帶鎖扣的設(shè)計 33 圖 按下按鈕后的鎖扣效果圖 受力分析 結(jié)合圖 ，來對釋放鎖扣時的受力狀況進(jìn)行分析。 圖 釋放鎖扣的瞬間受力分析圖 F2 —— 施加在按鈕上的壓力； F2 F2’τ F2’n F彈 F3 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 汽車 安全帶鎖扣的設(shè)計 34 F 彈 —— 彈簧的回復(fù)力； F2’—— 克服彈簧 的回復(fù)力后的壓力； F2’τ —— F2切線方向上的分力； F2’n —— F2法線方向上的分力； F3 —— 傳遞給鎖止片的力； 釋放鎖扣時，對按鈕施加壓力，當(dāng)這個力克服了彈簧的預(yù)緊回復(fù)力后，按鈕開始向壓力方向運動，當(dāng)接觸到杠桿機構(gòu)的 a 端后，將力傳遞給了杠桿機構(gòu)，使杠桿機構(gòu)產(chǎn)生了一個繞著它的支點的順時針旋轉(zhuǎn)的力矩，從而通過 b 端的月牙槽將力傳遞給了鎖止片。當(dāng)鎖止片從杠桿機構(gòu)得到的力克服了彈簧鋼片的壓力后，鎖舌就會被滑塊后的彈簧彈出鎖扣，從而釋放整 個安全帶。受力過程圖見圖 。 圖 受力過程圖 一 受力計算 設(shè)各個力都作用在同一水平面上， a 端的受力點在圓臺的圓心處。 22F F F? ??彈 ???????????????????? () 2 2 1sinnFF ????? ???????????????????? () 按 鈕 杠桿 機 構(gòu) 鎖止片 克服彈簧回復(fù)力 產(chǎn)生力矩 F2 鎖扣釋 放 克服彈簧鋼片的壓力 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 汽車 安全帶鎖扣的設(shè)計 35 2 1 1 3 2 2c os c osnF x F x??? ? ? ????????? ????? () α1 —— 按鈕側(cè)邊上接觸杠桿機構(gòu)的接觸面與水平方向的夾角； α2 —— 底框側(cè)壁上鎖止片槽上邊與下邊的夾角； 1x —— a 端圓心到支點圓心的距離； 2x —— b 端圓心到支點圓心的距離； 由式 ， ， 可推出： ? ?2 1 1 13 22si n c osc osF F xFx???? ? ?? 彈 ， 對模型進(jìn)行測量，此時按 鈕的行程為 9mm，即彈簧有了 9mm 的壓縮量。 根據(jù)公式 ， ) 3 .5 9 3 1 .5F k x N? ? ? ? ?0彈 （ x 。 經(jīng)過測量，得到 α1= 度， α2= 度， 1x =14mm， 2x =。 32( 3 1 .5FF? ? ? ?） ????????????????? () 圖 鎖止片受力分析圖 F3n —— F3在圖 所示平面的法向分力； F1n —— F1在圖 所示平面的法向分力； 如圖 ，因為鎖止片兩端各自連著一個杠桿機構(gòu)，所以左右兩端F3n F3n F1n 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 汽車 安全帶鎖扣的設(shè)計 36 都會受到 F3的作用。在鎖扣釋放的瞬間， 312 nnFF? 再根據(jù)式 ，可推出 ： 3 2 2 12 c o s 2 ( 3 1 .5 ) 0 .6 6 c o s1 5 .2 c o s ( 1 8 0 )F F F??? ? ? ? ? ? ? —— 彈簧鋼片壓片與水平方向的夾角。經(jīng)測量， ? =166 度； 根據(jù) 的計算， F1=。 這樣就可以計算出打開鎖扣的瞬間，施加在按鈕上的力 2 ? 。 根據(jù) GB141662021 的規(guī)定，打開鎖扣的力應(yīng)該小于 137N，故符合標(biāo)準(zhǔn)。規(guī)定中還提到為了避免鎖扣意外釋放，應(yīng)該避免以 10N 的力打開鎖扣的可能性 。經(jīng)測量，在按鈕歸零位置，按鈕下方的彈簧有 的變形量，按找公式 ,經(jīng)計算可得彈簧預(yù)緊回復(fù)力為 ，也就是說，小于 的力是不能按動按鈕的，故符合標(biāo)準(zhǔn)。 5 鎖扣連接件的強度校合 連接件介紹 鎖扣與車身內(nèi)部的連接是通過連桿末端的定位孔依靠螺栓與車身內(nèi)部連接的。當(dāng)車輛緊急剎車時，座位上的乘員由于慣性產(chǎn)生向前的沖力，這個力除了被安全帶織帶和預(yù)緊限力裝置吸收一部分外，也有相當(dāng)一部分力會傳遞到鎖扣連接件上，這就要求連接件除了有較好的預(yù)緊力外，還要具備教好的力學(xué)性能。根據(jù)以上原因， 本設(shè)計的鎖扣的連接件使用以 45號鋼為材料的 12 80M ?六角頭螺栓。 驗算連接件強度 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 汽車 安全帶鎖扣的設(shè)計 37 假設(shè)乘客體重 75Kg，車輛以每小時 80 公里的車速緊急剎車，在 2 秒內(nèi)車速降為零，而且連接件承受產(chǎn)生的全部的沖力。 根據(jù)牛頓第二定律， F=ma。 m 是質(zhì)量， a 是加速度。上述情況下，產(chǎn)生的沖力 8 0 1 0 0 07 5 3 8 93 6 0 0 2F m a N?? ? ? ?? 計算預(yù)緊力 預(yù)緊力公式查《機械設(shè)計實用手冊》 P587，表 322。 0 nKRF Zmf?? ???????????????????? () F0 —— 所需預(yù)緊力， N； Kn —— 可靠性系數(shù)，通常取 Kn=~； R —— 橫向載荷， N； Z —— 螺栓個數(shù)； m —— 摩擦面的數(shù)量； f —— 接合面間的摩擦系數(shù)，查表 51； Kn 取 ； R=F=389N； Z 取 1； m取 2；經(jīng)查表 51， f 取 。 代入式 ： 0 38 9 23341 2 mf? ?? ? ??? 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 汽車 安全帶鎖扣的設(shè)計 38 表 51 預(yù)緊連接接合面的摩擦系數(shù) f值 被連接件 表面狀態(tài) f 值 鋼或鑄鐵零件 干燥的加工表面 ~ 有油的加工表面 ~ 剛結(jié)構(gòu) 噴沙處理 ~ 涂覆鋅漆 ~ 軋制表面，鋼絲刷清理浮銹 ~ 校合螺栓拉伸強度 校合公式見《機械設(shè)計實用手冊》 P587，表 322。 ? ?01 11 .3sFA????????????????????? () ? ?1 sn?? ? ???????????????????? () As —— 螺栓部分危險截面的計算面積， 214S dA ?? ， mm2 n —— 安全系數(shù)，當(dāng)控制預(yù)緊力時， n=~； s? —— 屈服強度， MPa； ??1? —— 拉伸許用應(yīng)力， MPa； n 取 ， 45 號鋼的屈服強度為 360MPa，根據(jù)公式 可得： ? ?1 360 2401 .5 M P a? ??????????????? () 計算最小螺栓直徑 根據(jù)公式 ，可推出： 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 汽車 安全帶鎖扣的設(shè)計 39 ? ? 20 23 34 324 0 10s FA mm? ?? ? ?? 又因為 214S dA ?? ，所以可得出： m i n 4 4 3 4sAd mm?? ?? ? ?； 小結(jié) 由于計算得出的最小直徑為 ， 12，所以設(shè)計的連接件 —— 45 號鋼為材料的 12 80M ?六角頭螺栓符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)車速為假設(shè)的 2倍，即 160 公里的時速，經(jīng)過計算得出的最小螺栓直徑為 ，設(shè)計的連接件依然符合標(biāo)準(zhǔn)。 6 安全帶鎖扣其他的應(yīng)用 目前，傳感器在汽車上的應(yīng)用已經(jīng)很廣泛了，安全帶鎖扣這一重要的