CN105841976A - 一种主动式预紧安全带综合试验装置 - Google Patents

Abstract

一种主动式预紧安全带综合试验装置，包括试验支撑板、方形框架和U形框架；所述方形框架上靠近U形框架的一侧固定安装有座椅，且其上固定安装有竖直L形支架，该竖直L形支架通过固定板与座椅后部一侧固接，所述座椅后部的另一侧安装安全带张力传感器，所述固定板上设置有预紧安全带卷收器及安全带卷收控制器，所述U形框架上固定安装有超声波测距传感器，在所述试验支撑板上安装制动踏板，制动踏板上设置有制动踏板力传感器；所述安全带卷收控制器分别与预紧安全带卷收器、制动踏板力传感器和超声波测距传感器连接。该装置通过试验实现了主动式预紧安全带控制系统预定的预警机制和安全带主动预紧的功能，且工作稳定可靠。

Description

一种主动式预紧安全带综合试验装置

技术领域

本发明涉及一种主动式预紧安全带综合试验装置。

背景技术

当今，安全带已作为成员约束系统中的重要组成部分，是被事实证明了的最重要且最有效的安全装置。汽车的安全性能由预知和规避危险、并防止事故于未然的汽车主动安全和当事故发生时防范驾乘人员受到伤害的被动安全组成。安全带主要用来当汽车遇到意外情况紧急制动时，将驾乘人员束缚在座椅上，从而保护驾乘人员免受二次冲撞造成伤害。据国内外多项研究表明，驾驶人的疲劳驾驶和违规操作是导致交通事故的主要原因，占到交通事故总数的75％。通过对驾驶人行车状态的检测和及时向驾驶人提供相关信息，可以有效地减少交通事故的发生。因此，对于安全带的研究对汽车行车安全具有重要意义。特别的，对于安全带在主动安全方面的研究，是具有前瞻性和启迪性的。

传统的三点式安全带和现有的预紧式安全带均属于被动安全的范畴，又由于现有的预紧式安全带是通过内置的爆燃气体发生剂在碰撞发生后才能起到预紧的目的且发生碰撞后装置中的气体发生剂需要及时更换，不能满足主动安全的要求，这样不仅没有很好的起到预知危险、降低危险的功能还大大增加了后期成本。

发明内容

为了解决上述现有技术的不足，本发明提供了一种主动式预紧安全带综合试验装置，该装置通过试验实现了主动式预紧安全带控制系统预定的预警机制和安全带主动预紧的功能，且工作稳定可靠。

如上构思，本发明的技术方案是：

一种主动式预紧安全带综合试验装置，包括试验支撑板、位于该试验支撑板一侧的方形框架和位于该试验支持板另一侧的U形框架；所述方形框架上靠近U形框架的一侧固定安装有座椅，所述方形框架上固定安装有竖直L形支架，该竖直L形支架通过固定板与座椅后部一侧固接，所述座椅后部的另一侧安装安全带张力传感器，所述固定板上设置有预紧安全带卷收器及安全带卷收控制器，所述U形框架上固定安装有超声波测距传感器，在所述试验支撑板上安装制动踏板，制动踏板上设置有制动踏板力传感器；所述安全带卷收控制器分别与预紧安全带卷收器、制动踏板力传感器和超声波测距传感器连接，安全带卷收控制器接收制动踏板力传感器和超声波测距传感器发送的数据并处理，根据处理结果输出控制指令至所述预警安全带卷收器。

所述预警安全带卷收器包括安全带卷收机构和与该安全带卷收机构连接的电机驱动机构，所述电机驱动机构包括电机和与电机连接的电磁离合器。

所述安全带卷收控制器包括单片机MC9S12DP256、电机驱动芯片MC33886和电磁离合器驱动电路；电磁离合器驱动电路包括NPN型三极管S8050和继电器SRD-05VDC-SL-C；其中，NPN型三极管S8050和继电器SRD-05VDC-SL-C串联与电磁离合器连接控制电磁离合器的开合，在继电器线圈两引脚DCLH+和PGND之间并联了二极管1N4007，NPN型三极管S8050的基极引脚直接与单片机的I/O口相连，通过控制I/O口高低电平的变化来控制电磁离合器的接通与断开。

所述超声波测距传感器采用KS-103。

所述电机驱动芯片MC33886上串联电流传感器，该电流传感器的输出端与单片机MC9S12DP256连接。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明接收并解析车辆行驶预警传感器(超声波测距传感器)、驾驶员对车辆的操纵状况传感器(制动踏板力传感器)输送的数据，预测碰撞事故发生的可能性，在必要情况下将安全带预先收紧，以消除汽车安全织带与乘员身体之间的间隙，从而防止或降低碰撞带来的冲击伤害。

2、本发明采用非破坏性的工作方式可重复使用实现多次预紧，满足了安全带主动安全的要求，旨在实现集预警、预紧、限力于一体的集成式安全功能。

3、本发明可对参数条件设定完成的主动式预紧安全带系统进行试验测试，以便进行修正，当通过试验测试后再安装于汽车上进行实体试验，以降低试验成本及提高试验的效率，具有良好的经济效益。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是安全带卷收控制器的电原理图；

图3是电机驱动芯片MC33886的电路图；

图4是电磁离合器驱动电路的电路图；

图5是电流传感器的电路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的说明。

请参考图1，本发明还提供了一种主动式预紧安全带综合试验装置，包括试验支撑板1、位于该试验支撑板1一侧的方形框架2和位于该试验支持板另一侧的U形框架3，所述方形框架2上靠近U形框架3的一侧固定安装有座椅4，所述方形框架2上位于所述座椅4右后侧固定安装有竖直L形支架5和安装在该L形支架5上的固定板6。在所述座椅4的左侧设置有安全带张力传感器，在固定板6上设置有预紧安全带卷收器9及安全带卷收控制器10，在U形框架3上固定安装有超声波测距传感器7。在所述试验支撑板1上的制动踏板8，制动踏板8上设置有制动踏板力传感器。所述安全带卷收控制器10分别与预紧安全带卷收器9、制动踏板力传感器和超声波测距传感器7连接，安全带卷收控制器用于接收所述制动踏板力传感器和超声波测距传感器7发送的数据并处理，根据处理结果输出控制指令至所述预警安全带卷收器9。

本发明采用KS-103超声波测距传感器7和制动踏板力传感器8，即综合行车与前方障碍物的距离和驾驶员踩制动踏板力的大小确定3个安全级别，达到对驾驶人员提醒和安全带提前预紧的目的。

所述预紧安全带卷收器9包括安全带卷收机构和与该安全带卷收机构连接的电机驱动机构。所述电机驱动机构包括小功率直流永磁电机和与该电机连接的电磁离合器。该预警安全带卷收器9利用小功率直流驱动电机驱动，依靠电磁离合器，并通过齿轮的等比传动控制安全带的卷收。

本发明经过大量的试验，预紧安全带卷收器设计参数如下表所示，

安全带卷轴直径(含部分织带)	Ds＝40mm
		设计最大卷收拉紧力	Fdmax＝100N
设计额定卷收拉紧力	Fd＝30N
		设计卷收量	Sd＝100mm
设计卷收时间	t＝0.15s

安全带卷轴收直径是通过测量带有部分织带的现有安全带得到。设计最大卷收拉紧力F_dmax是通过弹簧测力计静态拉伸试验在一辆丰田系列轿车上得到的。一般安全带与乘员身体之间留有间隙，拉紧力远小于100N，因此额定卷收拉紧力初步定在30N。设计卷收量S_d是根据火药式预紧安全带卷收量确定的。卷收时间t是根据电机响应时间、碰撞过程等的量级确定的。

本发明设计采用小功率直流永磁电机。根据上述参数具体计算如下：

1)计算卷收线速度：

$V_d=\frac{S_d}{t}=\frac{100mm}{0.15s}=667mm/s---(1-1)$

2)计算卷收角速度：

$W_d=\frac{2\·V_d}{D_s}=\frac{2\×667mm/s}{40mm}=33.3rad/s---(1-2)$

3)计算卷收转速：

$n_d=\frac{W_d}{2\mathrm{\π}}\·60=\frac{33.3\×60rad/s}{2\mathrm{\π}}=318r/min---(1-3)$

4)计算拉紧力矩：

$T_d=\frac{F_d{D}_s}{2}=\frac{30N\×40mm}{2}=0.6N\·m---(1-4)$

5)计算拉紧功率：

P_d＝F_d V_d＝30N×0.667m/s＝20W (1-5)

为节省空间减速速装置全部在减速器内，即外部传动比为1。

6)计算电机输出转速：

n_r＝n_d＝318r/min (1-6)

根据设计参数和计算数据，本发明优选一款具有减速器的直流永磁型电机，具体参数如下表所示。

型号	45ZY24-25-D/60JB7.5
		额定电压	U＝24V
额定电流	I＝1.8A
		空载转速	ne＝3200r/min
额定转矩	Tr＝80N·m
		额定转速	nr＝3000r/min
额定功率	25W
		减速比	7.5

根据选定的电机，确定最终设计参数，具体如下：

7)电机实际输出转速：

$n=\frac{n_r}{i}=\frac{3000r/min}{7.5}=400r/min---(1-7)$

8)实际卷收线速度：

$V_r=\frac{N_r{\mathrm{\πD}}_s}{60}=\frac{400r/min\×\mathrm{\π}\×40mm}{60}=838mm/s---(1-8)$

9)实际卷收时间：

$t_r=\frac{D_s}{V_r}=\frac{100mm}{838mm/s}=0.12s---(1-9)$

由于该设计采用等比齿轮传动，根据机械设计手册(作者：殷国富，赵汝嘉；机械设计手册(新编软件版)2008[M].北京:化学工业出版社，2008)查得的传动效率范围在0.93到0.98之间，所以取η＝0.95，则实际输出的拉紧力矩如下：

10)电机实际输出转矩：

T_t＝T·η＝0.6N/m×0.95＝0.57N/m (1-10)

11)实际卷收拉力：

$F_f=\frac{2T_f}{D_s}=\frac{2\×0.57N/m}{0.04m}=28.5N---(1-11)$

如图2、3、4所示：所述安全带卷收控制器采用Freescale公司的MC9S12DP256和MC33886作为控制器的逻辑主控芯片和电机驱动芯片，电磁离合器驱动电路利用NPN型三极管S8050和继电器SRD-05VDC-SL-C串联控制电磁离合器的开合，在继电器线圈两引脚DCLH+和PGND之间并联了二极管1N4007，NPN型三极管S8050的基极引脚直接与单片机的I/O口相连，通过控制I/O口高低电平的变化来控制电磁离合器的接通与断开。

本发明对织带拉紧力的控制采用衡力矩控制，其本质是对电机的衡扭矩控制，直流电机负载运行时会有电流流过电枢绕组，通电导体位于磁场中会受到电磁力的作用，作用在直流电机电枢上的电磁力形成电磁转矩，转矩公式如下：

T＝C_T·φ·I_a (1-12)

式中，式直流电机的转矩常数，φ是主磁极的每级有效磁通的平均值。

一台制造完成的电机的转矩常数是一定的，有效磁通量波动量很小，可以近似为常数。因此直流电机的电磁转矩与通过电枢的电流成正比关系。因此对于电机的恒扭矩控制可以转变成电机的恒电流控制。因此设计中利用采用了霍尔式的电流传感器TBC-5PS5对电流进行采样并和设定值进行比较采用数字PI控制以达到对电机的恒电流控制。该电流传感器的采样电流为5A，传感器内部自带采样电阻，芯片输出的为电压量，输出端1引脚直接与单片机MC9S12DP256的ADC引脚，电流传感器串联在电机驱动芯片MC33886上。如图5所示。

以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制，但凡采用等同替换或等效变换的形式所获得的技术方案，均应落在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种主动式预紧安全带综合试验装置，其特征在于：包括试验支撑板、位于该试验支撑板一侧的方形框架和位于该试验支持板另一侧的U形框架；所述方形框架上靠近U形框架的一侧固定安装有座椅，所述方形框架上固定安装有竖直L形支架，该竖直L形支架通过固定板与座椅后部一侧固接，所述座椅后部的另一侧安装安全带张力传感器，所述固定板上设置有预紧安全带卷收器及安全带卷收控制器，所述U形框架上固定安装有超声波测距传感器，在所述试验支撑板上安装制动踏板，制动踏板上设置有制动踏板力传感器；所述安全带卷收控制器分别与预紧安全带卷收器、制动踏板力传感器和超声波测距传感器连接，安全带卷收控制器接收制动踏板力传感器和超声波测距传感器发送的数据并处理，根据处理结果输出控制指令至所述预警安全带卷收器。

2.根据权利要求1所述的主动式预紧安全带综合试验装置，其特征在于：所述预警安全带卷收器包括安全带卷收机构和与该安全带卷收机构连接的电机驱动机构，所述电机驱动机构包括电机和与电机连接的电磁离合器。

3.根据权利要求1所述的主动式预紧安全带综合试验装置，其特征在于：所述安全带卷收控制器包括单片机MC9S12DP256、电机驱动芯片MC33886和电磁离合器驱动电路；电磁离合器驱动电路包括NPN型三极管S8050和继电器SRD-05VDC-SL-C；其中，NPN型三极管S8050和继电器SRD-05VDC-SL-C串联与电磁离合器连接控制电磁离合器的开合，在继电器线圈两引脚DCLH+和PGND之间并联了二极管1N4007，NPN型三极管S8050的基极引脚直接与单片机的I/O口相连，通过控制I/O口高低电平的变化来控制电磁离合器的接通与断开。

4.根据权利要求1所述的主动式预紧安全带综合试验装置，其特征在于：所述超声波测距传感器采用KS-103。

5.根据权利要求3所述的主动式预紧安全带综合试验装置，其特征在于：所述电机驱动芯片MC33886上串联电流传感器，该电流传感器的输出端与单片机MC9S12DP256连接。