毕业设计论文汽车安全带锁扣的设计.docx
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毕业设计论文汽车安全带锁扣的设计
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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。
木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）、GB14166-2003（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
DesignoftheAutomobileSafetyBeltsBuckle
ABSTRACT
Safetybeltsbuckleisanimportantaspectinautomobilesafetybeltassembly・Itsroleisthefasteningdevicetopreventtheseatbeltslockedunshacklingandtheswitchroletotakeunfastentheirseatbelts.Itsperformancewillhaveadirectimpactontheperformanceofautomobileseatbelts,evenhaveadirectlyaffecttothelivessafeofoccupants.
Inthispaper,Iexpoundedthestructureofthebeltsbuckleandworkingprinciple.IstudiedtherelevantnationalstandardsandregulationsCarefully.InaccordancewithregulationssuchasECE-R16（whichprovidesmaterialsofseatbeltandperformancerequirementsoftherigidparts）,GB14166-2003（seatbeltsusedbyadultpassengersandrestraintsystemsinmotorvehicle）andotherregulations,made3Dmodelsofasafetyseatbelts・Indeterminingthecomponentsofthematerials,workedforaforceanalysistothemainpartofthelockingprocessofthebuckle,suchasthecampaignprocessofthelatchplate.Wordedforastrenthtsettomainforcedpart,suchaslockingunit.Meanwhile,workedforaanalysistotheforcetransmissioninthereleaseprocess.Bycalculating,getaminimumforcewhichneedtoopenthelockandgetaminimumforcewhichneedtopressthebutton.
Finally,drawthe2Dengineeringdrawingsofallthecomponentsofthe
Keyword:
seatbelts,seatbeltsbuckle,NationalStandardsUG,static,
strenthtset
汽车安全带锁扣的设计
楼申琦0261132
0引言
当今全球的汽车工业己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，汽车安全问题己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己高达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年代一一70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一一安全带锁扣的结构日益复朵，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，自木世纪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。
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）o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。
但在紧急情况下一一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一一安全带锁扣的结构日益复朵。
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撐杆所受力矩较大，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
GB14166-2003-
—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
GB11551-2003一
-乘用车正而碰撞乘员保护
CNCA-02C-026一
—2004机动车辆类强制性认证实施规则
ECE-R16法规一
-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137No同时不能存在偶然或者用小于ION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.Ocmo
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度一一172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
1
ABS塑料
底壳
1
ABS塑料
底框
1
45号钢
锁止片
1
45号钢
杠杆机构
2
ABS塑料
弹簧钢片
1
65Mn
弹簧
2
65Mn
紧固片
1
45号钢
按钮
1
ABS塑料
滑块
1
ABS塑料
连杆
1
45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
45号钢
65Mn
ABS塑料
性能
弹性模量
（Mpa）
206X103
200X103
200X103
抗拉强度
（Mpa）
>600
>735
>35
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）。
正而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
锁舌剛•
技铝位迓
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。
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3.7cm',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3.3o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。
放査弹簧处
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
12
2mm
0.0254
角度公差
节距
旋向
0.5
2mm
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3.8o
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。
底而开了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
弾黄钢片定位块
弹後底座
锁止片IS
图3.10底框
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3.13o
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。
压片
图3.14弹簧钢片
3.11紧固片
紧固片盖在连杆上，用钏钉固定在底框上。
拱起处供连杆穿过。
材料：
45号钢工艺：
热处理
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。
IlJZ%»I
图4.1锁扣结构图
锁舌
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而，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
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。
F弹—滑块后的弹簧的回复力
Fp__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・
（4.1）
•（4.2）
二、锁止时的受力计算
^=Hx0-x）
a——弹簧钢片压片与水平方向的夹角。
经测量，。
二166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
a0=172°,&max二a（）-0=172-166=6
E——弹性模量，查《机械设计实用手册》P768表4-1-4,得
E=206xl0'MP©
A/；3
I——惯性矩，查《材料力学1》（第2版）附录C,得1=—9经测
12
量，h=lmm,b=5mm,I=4.2•10~l3m4.
1——压片长度，见图3.10,经测量，1二19mm。
x0——弹簧原长；
X——弹簧受力后的长度；
根据公式4.2=Kx0-^）=3.5x（24-12）=42N
2）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，工F二0。
即耳）=尸弹（4.3）
Fo——锁扣受到的外力；
F评一一弹簧的回复力；
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。
片单=k（x0—x）=3.5x12=42N
Foaax-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。
根据图4.7计算压应力
6=（4.4）
A
几——施加在锁舌上的载荷，Fv=14700/V；
A——锁止片下凹处的截面积，经测量，A=10mm2；
根据公式4.4,
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[oJ=600MPc/。
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
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