汽車安全帶的鎖定系統(tǒng)中的動(dòng)力學(xué)原理

摘要：在過去多年中，安全帶已被證明是汽車和卡車中最重要的安全裝備。安全帶的設(shè)計(jì)理念非常簡(jiǎn)單：當(dāng)汽車突然停止時(shí)，安全帶會(huì)防止您由于慣性飛出擋風(fēng)玻璃或撞向儀表板。本文通過對(duì)安全帶的鎖定系統(tǒng)中加重?cái)[錘和加重?cái)[桿受力和運(yùn)動(dòng)的論述，從動(dòng)力學(xué)方面論述了卷收器在汽車發(fā)生碰撞時(shí)是如何鎖定轉(zhuǎn)動(dòng)的問題。

關(guān)鍵詞：汽車安全帶；卷收器；鎖定系統(tǒng)；受力；運(yùn)動(dòng)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148(2011)4(S)-0061-2

在過去多年中，安全帶已被證明是汽車和卡車中最重要的安全裝備。安全帶的設(shè)計(jì)理念非常簡(jiǎn)單：當(dāng)汽車突然停止時(shí)，安全帶會(huì)防止您由于慣性飛出擋風(fēng)玻璃或撞向儀表板。當(dāng)汽車突然停止時(shí)，乘客也會(huì)突然停止運(yùn)動(dòng)，安全帶的工作就是將這種緊急停止時(shí)產(chǎn)生的巨大的作用力擴(kuò)散到身體比較強(qiáng)壯的部位上，以盡可能減少傷害。舒適的汽車安全帶能夠拉伸和收回--當(dāng)安全帶拉緊時(shí)，您的身體可以輕松地前傾，但是在撞擊中，安全帶會(huì)突然收緊并將您緊緊固定好。

在典型的安全帶系統(tǒng)中，安全帶與一個(gè)卷收器相連。 卷收器中的核心元件是卷軸，它與安全帶的一端相連。 在卷收器內(nèi)部，一個(gè)彈簧為卷軸提供旋轉(zhuǎn)作用力（或扭矩）。 它會(huì)旋轉(zhuǎn)卷軸，以便卷起任何松弛的安全帶。當(dāng)您拉出安全帶時(shí)，卷軸將逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，并使相連的彈簧也沿相同方向旋轉(zhuǎn)。 這樣，旋轉(zhuǎn)的卷軸就反扭了彈簧。 因?yàn)閺椈上胍謴?fù)到原狀，因此它會(huì)抗拒這一扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 如果您松開安全帶，彈簧將收緊，并順時(shí)針旋轉(zhuǎn)卷軸，直至使安全帶張緊。

卷收器有一個(gè)鎖定機(jī)構(gòu)，可在汽車發(fā)生碰撞時(shí)停止卷軸的旋轉(zhuǎn)。 如今，有兩種常用的鎖定系統(tǒng)：

（1）由汽車運(yùn)動(dòng)觸發(fā)的系統(tǒng)

（2）由安全帶運(yùn)動(dòng)觸發(fā)的系統(tǒng)

第一種系統(tǒng)在汽車迅速減速（例如，當(dāng)汽車撞上某物體）時(shí)鎖定卷軸。圖2是這種設(shè)計(jì)的示意圖。

這種機(jī)構(gòu)中的核心元件是一個(gè)加重?cái)[錘。當(dāng)汽車突然停止時(shí)，慣性會(huì)導(dǎo)致擺錘向前擺動(dòng)。 擺錘另一端的棘爪會(huì)抓住固定在卷軸上的一個(gè)帶齒棘輪。 由于棘爪卡住了其中一個(gè)輪齒，因而齒輪便無法逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，從而使與之相連的卷軸也無法旋轉(zhuǎn)。 當(dāng)撞擊后再次松開安全帶時(shí)，齒輪會(huì)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，并與棘輪分開。

例題 如圖3(a)所示，木塊與小車一起向右做勻速直線運(yùn)動(dòng)，某時(shí)刻觀察到如圖3(b)所示的現(xiàn)象。由此可判斷（B）

A．小車突然加速運(yùn)動(dòng)

B．小車突然減速運(yùn)動(dòng)

C．小車保持勻速運(yùn)動(dòng)

D．小車可能做加速、也可能做減速運(yùn)動(dòng)

解析 對(duì)木塊受力分析：一個(gè)力是自身的重力，另一個(gè)力是小車給它提供的支持力，當(dāng)汽車靜止或者勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)加重?cái)[錘所受合外力為零，當(dāng)小車突然減速時(shí)，木塊的慣性會(huì)讓它還保持原來和汽車相同的速度，而汽車的速度已經(jīng)減小，結(jié)果導(dǎo)致擺錘向前擺動(dòng)。

第二種系統(tǒng)在猛拉安全帶時(shí)鎖定卷軸。 多數(shù)設(shè)計(jì)利用卷軸旋轉(zhuǎn)的速度作為激活動(dòng)力。圖4-6中所示為一種常見配置方式。 圖 4圖 5圖 6

這種設(shè)計(jì)的核心元件是一個(gè)離心式離合器--一種安裝在旋轉(zhuǎn)卷軸上的加重?cái)[桿。當(dāng)卷軸緩慢旋轉(zhuǎn)時(shí)，擺桿并不擺動(dòng)。一個(gè)彈簧使它保持在原來的位置。 但當(dāng)猛拉安全帶時(shí)，卷軸將快速旋轉(zhuǎn)，離心力驅(qū)使擺桿的加重端向外擺動(dòng)。伸長(zhǎng)的擺桿會(huì)推動(dòng)卷收器殼上的凸輪。 凸輪通過滑動(dòng)銷與一個(gè)樞轉(zhuǎn)棘爪相連。當(dāng)凸輪移到左側(cè)時(shí)，滑動(dòng)銷會(huì)沿棘爪的槽口移動(dòng)。 這會(huì)將棘爪拖入與卷軸相連的旋轉(zhuǎn)棘輪。 棘爪鎖入輪齒中，禁止逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體，向心力就是物體所受的合外力，總是指向圓心。做變速圓周運(yùn)動(dòng)的物體，向心力只是物體所受合外力在沿著半徑方向上的一個(gè)分力，合外力的另一個(gè)分力沿著圓周的切線，使速度大小改變。如果沿半徑方向的合外力大于做圓周運(yùn)動(dòng)所需的向心力，物體將做向心運(yùn)動(dòng)，半徑將減??；如果沿半徑方向的合外力小于做圓周運(yùn)動(dòng)所需的向心力，物體將做離心運(yùn)動(dòng)，半徑將增大。

離心運(yùn)動(dòng)在日常生產(chǎn)生活的應(yīng)用實(shí)例

（1）離心干燥器

（2）洗衣機(jī)的脫水筒

（3）用離心機(jī)把體溫計(jì)的水銀柱甩回玻璃泡內(nèi)

（4）“棉花糖”的產(chǎn)生

例題 如圖7所示，用細(xì)繩一端系著的質(zhì)量為M=0.6kg的物體A靜止在水平轉(zhuǎn)盤上，細(xì)繩另一端通過轉(zhuǎn)盤中心的光滑小孔O吊著質(zhì)量為m=0.3kg的小球B，A的重心到O點(diǎn)的距離為0.2m。若A與轉(zhuǎn)盤間的最大靜摩擦力為f=2N，為使小球B保持靜止，求轉(zhuǎn)盤繞中心O旋轉(zhuǎn)的角速度ω的取值范圍。（取g=10m/s2）

解析 要使B靜止，A必須相對(duì)于轉(zhuǎn)盤靜止——具有與轉(zhuǎn)盤相同的角速度。A需要的向心力由繩拉力和靜摩擦力合成。角速度取最大值時(shí)，A有離心趨勢(shì)，靜摩擦力指向圓心O；角速度取最小值時(shí)，A有向心運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，靜摩擦力背離圓心O。

對(duì)于B：T=mg

對(duì)于A： T+f=Mrω12

T-f=Mrω22

ω1=6.5rad/s，ω2=2.9rad/s

所以2.9rad/s≤ω≤6.5rad/s

(欄目編輯王柏廬)

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文