CN107643169B - 一种安全带锁止测试装置 - Google Patents

Abstract

一种安全带锁止测试装置，包括定架和动架，安全带的卷收器与动架相连接，测试装置还包括：砝码，挂绳的一端连接砝码、另一端连接驱动绳轮；传动轴，传动轴上安装有齿轮；连接在传动轴上的摇柄；铰接在定架上的手柄，手柄还加工有与齿轮相啮合的齿；一端与绳轮连接、另一端与安全带挂钩连接的拉绳。本装置主要是利用重力驱动的方式来产生加速度，以此来检测安全带的锁止性能，该装置相对传统测试台省去了各种中间传动机构和电子传感器，操作简单快捷，输出加速度稳定，提高了检测效率，降低了检测成本，经过测试，相比于传统检测装置，检测效率提升40％以上。

Description

一种安全带锁止测试装置

技术领域

本发明涉及安全带测试技术领域，尤其是涉及一种安全带锁止测试装置。

背景技术

飞机或者汽车的安全带是乘客约束系统的重要组成部分，对乘客安全的实现具有重要意义，安全带的检测和维修是保证约束系统有效性的重要手段。现有技术中，安全带检测中的重要一项是安全带的锁止性能检测，是指在乘客相对于座椅的加速度达到某个临界值时(比如1.5g),安全带就会立即锁止，从而将乘客约束在座椅上，以此保证乘客安全。

查阅已经公开的关于安全带锁止测试台的文献资料，测试加速度的输出由计算机控制的步进电机实现，由此整体结构复杂、成本高，且对测试人员操作能力要求高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种安全带锁止测试装置，该装置由机械部件输出符合要求的测试加速度，降低了成本，且操作效率高，采用的技术方案是：一种安全带锁止测试装置，包括定架和动架，安全带的卷收器与所述动架相连接，其特征在于：所述测试装置还包括：

砝码，挂绳的一端连接所述砝码、另一端连接驱动绳轮；

传动轴，所述传动轴上安装有齿轮；

连接在所述传动轴上的摇柄；

铰接在定架上的手柄，所述手柄还加工有与齿轮相啮合的齿；

一端与绳轮连接、另一端与安全带挂钩连接的拉绳。

本发明的技术特征还有：所述绳轮包括大绳轮和小绳轮。

本发明的技术特征还有：安全带的卷收器通过挂钩与所述动架相连接。

本发明的技术特征还有：所述驱动绳轮上开有V型槽，所述挂绳缠绕在所述V型槽内。

本发明的技术特征还有：所述传动轴为阶梯轴，所述绳轮键连接在阶梯轴上。

本发明的有益效果在于：本装置主要是利用重力驱动的方式来产生加速度，以此来检测安全带的锁止性能，该装置相对传统测试台省去了各种中间传动机构和电子传感器，操作简单快捷，输出加速度稳定，提高了检测效率，降低了检测成本，经过测试，相比于传统检测装置，检测效率提升40％以上。

附图说明

附图1是加速度发生装置原理图，附图2是轴系受力图，附图3是驱动绳轮半径和砝码质量关系图，图4是轴和绳轮结构配置图，图5是轴的应力分布图，图6是大绳轮的应力分布图，图7是测试纸带，图8是校正前装置的输出加速度示意图，图9是校正后装置的输出加速度示意图，附图10是本发明结构示意图，附图11是本发明轴测图，其中1是螺栓，2是轴承，3是轴承套筒，4是小绳轮，5是小绳轮套筒，6是驱动绳轮，7是传动轴，8是平键，9是手柄，10是大绳轮，11是齿轮，12是齿轮螺母，13是摇柄，14是螺母，15是螺母，16是手柄螺母，17是定架，18是砝码，19是挂绳，20是拉绳，21是挂钩，22是挂钩螺栓，23是动架，24是安全带。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行说明。

测试原理分析如下：

1、测试参数要求

根据CMM手册要求，飞机座椅约束系统中的安全带在1.5g加速度下为锁止状态，0.75g加速度下为可拉伸状态。

2、加速度输出方案

根据测试要求，当加速度发生装置输出的加速度达到1.5g时，安全带应该立即锁止，而在0.75g的加速度下安全带仍然可拉伸，所以装置要输出稳定的1.5g和0.75g的加速度。

在地球上，具体到每个地域，当地重力加速度g非常稳定，如果以重力作为动力源，可显著提高动力的稳定性，所以此加速度发生装置的驱动方式为重力驱动。安全带锁止的加速度是1.5g，而重力加速度只有1g，客观上要求加速度发生装置必须有加速度放大功能。

3、加速度发生装置原理

半径分别为r₁和r₂的两个绳轮固定在同一根轴上，如果用砝码的重力驱动小轮，由于两个绳轮周向固定，则大轮也会一起旋转，如果轮系的总转动惯量为J，所受的和外力矩为M，则由刚体转动定律M＝Jα得出，两轮的角加速度相同，由线量与角量的关系a＝rα得：线加速度和半径成正比，原理图如附图1所示。

4、已知条件

1)装置测试时输出加速度a为1.5g和0.75g，误差不大于±5％；

2)装置输出有效位移d至少为20cm；

3)安全带小位移下的拉伸力F₀为10N；

5、设计参数的确定

设驱动绳轮半径为r₁质量为m₁，大绳轮半径为r₂质量为m₂，小绳轮半径为r₃质量为m₃，砝码质量为m₄；由于输出装置的有效位移至少为20cm，设计尺寸按增大25％计算，从本装置原理可以看出，绳轮的半径r不同，转动一周的周长也不同，计算时应按小绳轮半径计算：

r₃＝d(1+25％)/2π (1)

大绳轮产生的加速度是小绳轮的2倍，所以：

r₂＝2r₃ (2)

由(1)，(2)得出，小绳轮半径r₃＝39.81mm，大绳轮半径r₂＝79.62mm；把尺寸修正取整得r₃＝40mm，r₂＝80mm。

本装置采用的是直径Ф＝1.5mm的软钢丝绳传递动力，为了缠绕过程的顺利进行，绳轮采用V槽结构，槽底宽w设计成并排两个线径，取w＝3mm，槽深h暂定为6mm，绳轮厚度b定为8mm。

6、驱动绳轮半径和砝码质量的确定

设小绳轮质量为m₃转动惯量为J₃；大绳轮质量为m₂转动惯量为J₂，输出加速度为a；驱动绳轮质量为m₁转动惯量为J₁，砝码质量为m，驱动加速度为a₁，安全带质量m₀；轮系总转动惯量为J，产生的角加速度为α，所受合力矩为M，摩擦力矩为M_f，产生的角加速度为α；绳轮材料采用304不锈钢，密度为ρ(ρ＝7.93*10³kg/m3),(绳轮转动惯量J＝mr²)；则有：

mg-T＝ma₁ (3)

F-F₀-m₀g＝m₀a (4)

Tr₁-Fr₂-M_f＝Jα (5)

a＝r₂α (6)

J＝J₁+J₂+J₃ (7)

J₁＝m₁r₁ ² (8)

m₁＝ρV₁ (9)

V₁＝πr₁ ²b (10)

由于摩擦力矩Mf未知且较小，所以试算阶段可取M_f＝0，水平测试时m₀g＝0，又由已知条件a＝1.5g(g＝9.8m/s²)，联立(3)、(4)、(5)、(6)、(7)、(8)(9)、(10)得：

带入数值得：m(9.8r₁-183.75r₁ ²)＝1.82+18301.5r₁ ⁴；

以r₁和m作为未知数作函数图像，见附图3。

由于设计要求min r₁＝32mm，max r₁＝83mm，从函数图像可知r₁＝40mm时，装置对砝码质量m变化不敏感，所以取r₁＝40mm，此时砝码质量m＝19.13kg，考虑到系统的稳定性砝码质量增大25％，最后取m＝25kg。

7、轴结构的确定和关键件强度分析

由受力分析得，驱动绳轮在中间时，轴的受力性能最好，为了安装需求，把轴的结构设计成阶梯型，结构布置如图4所示.

轴的直径应符合强度要求，利用catia软件建模和应力分析如图5。

由应力分析可知轴的最大应力σ_max＝84.6MPa，304不锈钢材料的屈服强度σ_0.2＝205MPa，安全系数：

S＝σ_0.2/σmax

得S＝2.42，安全裕度足够。

同样大绳轮的应力分布如图6。

由应力分析可知大绳轮的最大应力σ_max＝82MPa，安全系数：

S＝σ_0.2/σmax

得S＝2.5，安全裕度足够。

8、加速度发生装置的结构确定和最终试验

装置采用直径

的软钢丝绳作为力的传递介质；用齿轮、齿条作为自锁装置，齿轮、齿条啮合时，周向分辨率可达9°，可完全满足测试需要；砝码提升采用电机驱动，触发装置采用液压控制。

为了验证该装置的输出加速度是否满足要求，把安全带的锁止装置拆掉，然后实物检测，用打点计时器(周期T＝0.02s)来测试砝码下落速度，测试纸带如图7所示。

为了样本的准确性，纸袋上起始的2个点和最后减速的5个点要剔除，通过测量打点的间隔Δs、2Δs、3Δs与4Δs，根据公式：

nΔs＝a’Δt²

Δt＝nT

计算出砝码加速度a’，由输出加速度a＝λa’，λ＝r₂/r₁，得出装置的输出加速度，如图8所示。

图8中a为装置输出加速度，n为测试次数，从图中可以看出，装置的输出加速度和设计值之间差距较大。将系统的摩擦力矩M_f带入方程(11)中得：

将试验得出的a和a₁和装置的已知条件带入方程(12)中，可计算出系统的摩擦力矩M_f，然后把a＝1.5g和其他已知参数带入方程，重新计算驱动轮半径r₁，驱动绳轮确定后，进行最终测试，如图9所示。

根据以上原理，本安全带锁止测试装置，包括定架17和动架11，安全带24的卷收器与动架通过挂钩21相连接，测试装置还包括：砝码18，挂绳19的一端连接砝码18、另一端连接驱动绳轮6，驱动绳轮6上开有V型槽，挂绳19缠绕在V型槽内；传动轴7，传动轴为阶梯轴，所述绳轮键连接在阶梯轴上，传动轴7上安装有齿轮11；连接在传动轴7上的摇柄13；铰接在定架17上的手柄9，手柄9还加工有与齿轮11相啮合的齿；一端与绳轮连接、另一端与安全带24挂钩连接的拉绳20。本处的绳轮包括大绳轮10和小绳轮4。

各个主要部件的功能如下：

挂钩21：用于固定安全带；

动架23：用于支撑安全带，不用时可通过连接件拆卸。

拉绳20：用于加速度的输出，测试时将拉钩挂在安全带的金属扣上；

摇柄13：用于砝码的提升，使用时手摇即可，测试前务必要拿开摇柄。

挂绳19：用于承受砝码的重力；

大绳轮10：用于拉绳的缠绕；

手柄9：用于测试的触发，测试前一定报保证手柄的轮齿与齿轮之间的良好啮合。

齿轮11:用于锁定砝码的高度，使用时保证齿轮槽内干净无异物。

定架17：起到主要的支撑作用，使用时注意地面的平整性。

砝码18：用于驱动绳轮，砝码悬空时注意不要晃动，避免危险的发生。

原理：转动摇柄13，摇柄13所在的传动轴7转动，进而带动驱动绳轮6转动，砝码18提起，齿轮11和手柄9上的齿啮合锁定；手柄瞬间抬起后，齿轮11和手柄9上的齿脱开，在砝码18作用下，挂绳下落，由于挂绳绕在驱动绳轮6上，驱动绳轮6随之转动，由于大绳轮10和驱动绳轮6在同传动轴上通过键周向固定，故大绳轮10就会跟着转动，从而把拉绳20卷绕在大绳轮10上，拉绳20拉动安全带24产生恒定的加速度(1.5g)，如果安全带24立即锁止，证明安全带24有效，如果在1.5g加速度下不能锁止，说明安全带24失效。

本实施例中，如果采用小绳轮代替大绳轮，则产生是0.75g的加速度。

当然，上述说明并非对本发明的限制，本发明也不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种安全带锁止测试装置，包括定架和动架，安全带的卷收器与动架通过挂钩相连接，测试装置还包括：砝码，挂绳的一端连接砝码、另一端连接驱动绳轮，驱动绳轮上开有V型槽，挂绳缠绕在V型槽内；传动轴，传动轴为阶梯轴，所述绳轮键连接在阶梯轴上，传动轴上安装有齿轮；连接在传动轴上的摇柄；铰接在定架上的手柄，手柄还加工有与齿轮相啮合的齿；一端与绳轮连接、另一端与安全带挂钩连接的拉绳；本处的绳轮包括大绳轮和小绳轮；本发明测试原理分析如下：

(1)测试参数要求：根据CMM手册要求，飞机座椅约束系统中的安全带在1.5g加速度下为锁止状态，0.75g加速度下为可拉伸状态；

(2)加速度输出方案：根据测试要求，当加速度发生装置输出的加速度达到1.5g时，安全带应该立即锁止，而在0.75g的加速度下安全带仍然可拉伸，所以装置要输出稳定的1.5g和0.75g的加速度；在地球上，具体到每个地域，当地重力加速度g非常稳定，如果以重力作为动力源，可显著提高动力的稳定性，所以此加速度发生装置的驱动方式为重力驱动；安全带锁止的加速度是1.5g，而重力加速度只有1g，客观上要求加速度发生装置必须有加速度放大功能；

(3)加速度发生装置原理：半径分别为r1和r2的两个绳轮固定在同一根轴上，如果用砝码的重力驱动小轮，由于两个绳轮周向固定，则大轮也会一起旋转，如果轮系的总转动惯量为J，所受的和外力矩为M，则由刚体转动定律M＝Jα得出，两轮的角加速度相同，由线量与角量的关系a＝rα得：线加速度和半径成正比；

(4)已知条件：1)装置测试时输出加速度a为1.5g和0.75g，误差不大于±5％；2)装置输出有效位移d至少为20cm；3)安全带小位移下的拉伸力F₀为10N；

(5)设计参数的确定：设驱动绳轮半径为r1质量为m1，大绳轮半径为r2质量为m2，小绳轮半径为r3质量为m3，砝码质量为m4；由于输出装置的有效位移至少为20cm，设计尺寸按增大25％计算，从本装置原理可以看出，绳轮的半径r不同，转动一周的周长也不同，计算时应按小绳轮半径计算：

r3＝d(1+25％)/2π (1)

大绳轮产生的加速度是小绳轮的2倍，所以：

r2＝2r3 (2)

由公式(1)，(2)得出，小绳轮半径r3＝39.81mm，大绳轮半径r2＝79.62mm；把尺寸修正取整得r3＝40mm，r2＝80mm；本装置采用的是直径Ф＝1.5mm的软钢丝绳传递动力，为了缠绕过程的顺利进行，绳轮采用V槽结构，槽底宽w设计成并排两个线径，取w＝3mm，槽深h暂定为6mm，绳轮厚度b定为8mm；

(6)驱动绳轮半径和砝码质量的确定:设小绳轮质量为m3转动惯量为J3；大绳轮质量为m2转动惯量为J₂，输出加速度为a；驱动绳轮质量为m1转动惯量为J₁，砝码质量为m，驱动加速度为a₁，安全带质量m₀；轮系总转动惯量为J，产生的角加速度为α，所受合力矩为M，摩擦力矩为M_f，产生的角加速度为α；绳轮材料采用304不锈钢，密度ρ＝7.93*10³kg/m3,绳轮转动惯量J＝mr²；则有：

mg-T＝ma₁ (3)

F-F₀-m₀g＝m₀a (4)

Tr1-Fr2-M_f＝Jα (5)

a＝r2α (6)

J＝J₁+J₂+J₃ (7)

J₁＝m₁r₁ ² (8)

m1＝ρV₁ (9)

V₁＝πr₁ ²b (10)

由于摩擦力矩M_f未知且较小，所以试算阶段可取M_f＝0，水平测试时m₀g＝0，又由已知条件a＝1.5g，g＝9.8m/s²，联立公式(3)、(4)、(5)、(6)、(7)、(8)、(9)、(10)得：

带入数值得：m(9.8r₁-183.75r₁ ²)＝1.82+18301.5r₁ ⁴；

以r₁和m作为未知数作函数图像；由于设计要求min r₁＝32mm，max r₁＝83mm，从函数图像可知r₁＝40mm时，装置对砝码质量m变化不敏感，所以取r₁＝40mm，此时砝码质量m＝19.13kg，考虑到系统的稳定性砝码质量增大25％，最后取m＝25kg；

(7)轴结构的确定和关键件强度分析：

由受力分析得，驱动绳轮在中间时，轴的受力性能最好，为了安装需求，把轴的结构设计成阶梯型；

轴的直径应符合强度要求，利用catia软件建模和应力分析；

由应力分析可知轴的最大应力σmax＝84.6MPa，304不锈钢材料的屈服强度σ0.2＝205MPa，安全系数：S＝σ0.2/σmax得S＝2.42，安全裕度足够；

由应力分析可知大绳轮的最大应力σmax＝82MPa，安全系数S＝σ0.2/σmax得S＝2.5，安全裕度足够；

(8)加速度发生装置的结构确定和最终试验：

装置采用直径的软钢丝绳作为力的传递介质；用齿轮、齿条作为自锁装置，齿轮、齿条啮合时，周向分辨率可达9°，可完全满足测试需要；砝码提升采用电机驱动，触发装置采用液压控制；

为了验证该装置的输出加速度是否满足要求，把安全带的锁止装置拆掉，然后实物检测，用打点计时器来测试砝码下落速度，周期T＝0.02s；

为了样本的准确性，纸袋上起始的2个点和最后减速的5个点要剔除，通过测量打点的间隔Δs、2Δs、3Δs与4Δs，根据公式：

nΔs＝a’Δt²

Δt＝nT

计算出砝码加速度a’，由输出加速度a＝λa’，λ＝r2/r1，得出装置的输出加速度；a为装置输出加速度，n为测试次数，装置的输出加速度和设计值之间差距较大；将系统的摩擦力矩Mf带入方程(11)中得：

将试验得出的a和a₁和装置的已知条件带入方程(12)中，可计算出系统的摩擦力矩M_f，然后把a＝1.5g和其他已知参数带入方程，重新计算驱动轮半径r1，驱动绳轮确定后，进行最终测试。

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