【文章內容簡介】 汽車 安全帶鎖扣的設計 29 關。 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角處0 172? ?? ， max? = 0 1 7 2 1 6 6 6??? ? ? ? E—— 彈性模量， 查《機械設計實用手冊》 P768 表 414，得320 6 10E M Pa?? ； I—— 慣性矩，查《材料力學 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 鎖舌受到外力進入鎖扣，到接觸到滑塊頂端之間這段時間內是不受到上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 汽車 安全帶鎖扣的設計 30 彈簧阻力的。當鎖舌接觸到滑塊，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 —— 彈簧的回復力 ； 鎖舌越往鎖扣內部移動，受到的彈簧回復力越大，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 結論：鎖舌插入鎖扣需要最大的力為 42N。 強度校合 當安全帶鎖扣鎖止后，應該達到能夠承受 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，彈簧的回復力和彈簧鋼片的壓力忽略不計，僅對鎖止片的強度進行校合。 上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 汽車 安全帶鎖扣的設計 31 圖 鎖扣受到的實驗載荷 根據(jù)圖 計算壓應力 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??，因此設計強度符合要求。 釋放過程 當向按鈕施加一個在規(guī)定范圍內的力時，按鈕向下運動，由于按鈕兩側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 上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 汽車 安全帶鎖扣的設計 32 的力一部分施加到杠桿機構上。這樣，杠桿機構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。鎖止片兩側有兩個向外延伸的部分，而杠桿機構的 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 b 端抬高時，鎖止片在底框的鎖止片槽的范圍內繞著鎖止片較短的外伸端向上作圓周運動。當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彈力，被彈出鎖扣。這樣就達到了釋放安全帶的目的。結合圖 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 上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 汽車 安全帶鎖扣的設計 33 圖 按下按鈕后的鎖扣效果圖 受力分析 結合圖 ，來對釋放鎖扣時的受力狀況進行分析。 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 上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 汽車 安全帶鎖扣的設計 34 F 彈 —— 彈簧的回復力； F2’—— 克服彈簧 的回復力后的壓力； 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，當這個力克服了彈簧的預緊回復力后，按鈕開始向壓力方向運動，當接觸到杠桿機構的 a 端后，將力傳遞給了杠桿機構，使杠桿機構產(chǎn)生了一個繞著它的支點的順時針旋轉的力矩，從而通過 b 端的月牙槽將力傳遞給了鎖止片。當鎖止片從杠桿機構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 鎖止片 克服彈簧回復力 產(chǎn)生力矩 F2 鎖扣釋 放 克服彈簧鋼片的壓力 上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 汽車 安全帶鎖扣的設計 35 2 1 1 3 2 2c os c osnF x F x??? ? ? ????????? ????? () α1 —— 按鈕側邊上接觸杠桿機構的接觸面與水平方向的夾角； α2 —— 底框側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，所以左右兩端F3n F3n F1n 上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 汽車 安全帶鎖扣的設計 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，打開鎖扣的力應該小于 137N，故符合標準。規(guī)定中還提到為了避免鎖扣意外釋放，應該避免以 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)計算可得彈簧預緊回復力為 ，也就是說，小于 的力是不能按動按鈕的，故符合標準。 5 鎖扣連接件的強度校合 連接件介紹 鎖扣與車身內部的連接是通過連桿末端的定位孔依靠螺栓與車身內部連接的。當車輛緊急剎車時，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緊限力裝置吸收一部分外，也有相當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緊力外，還要具備教好的力學性能。根據(jù)以上原因， 本設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 上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 汽車 安全帶鎖扣的設計 37 假設乘客體重 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?? ? ? ?? 計算預緊力 預緊力公式查《機械設計實用手冊》 P587，表 322。 0 nKRF Zmf?? ???????????????????? () F0 —— 所需預緊力， 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? ?? ? ??? 上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 汽車 安全帶鎖扣的設計 38 表 51 預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 ~ 剛結構 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)，當控制預緊力時， n=~； s? —— 屈服強度， MPa； ??1? —— 拉伸許用應力， 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： 上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 汽車 安全帶鎖扣的設計 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 由于計算得出的最小直徑為 ， 12，所以設計的連接件 —— 45 號鋼為材料的 12 80M ?六角頭螺栓符合設計標準。當車速為假設的 2倍，即 160 公里的時速，經(jīng)過計算得出的最小螺栓直徑為 ，設計的連接件依然符合標準。 6 安全帶鎖扣其他的應用 目前，傳感器在汽車上的應用已經(jīng)很廣泛了，安全帶鎖扣這一重要的