汽車被動(dòng)安全系統(tǒng)發(fā)展研究

龔 禹

華晨汽車工程研究院（沈陽(yáng) 110000）

汽車被動(dòng)安全系統(tǒng)發(fā)展研究

龔 禹

華晨汽車工程研究院（沈陽(yáng) 110000）

隨著國(guó)內(nèi)乘用車數(shù)量的增多，人們對(duì)汽車安全性能的要求也越來(lái)越高，本文通過(guò)對(duì)現(xiàn)今汽車安全帶系統(tǒng)的主要特殊功能，及工作原理的介紹，闡述了各種功能對(duì)乘員身體的保護(hù)能力，使廣大讀者能夠更深的認(rèn)識(shí)到安全帶在汽車結(jié)構(gòu)中的重要地位,同時(shí)說(shuō)明MADYMO軟件在安全帶設(shè)計(jì)中的作用。

汽車安全帶系統(tǒng) 預(yù)緊功能 限力功能 KISI功能

安全帶自1885年首次出現(xiàn)并應(yīng)用于馬車上開始，到1959年沃爾沃汽車公司發(fā)明三點(diǎn)式安全帶，直至今日，經(jīng)歷了一個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，已成功挽救了無(wú)數(shù)人的生命，其主要的功能便是在汽車發(fā)生緊急碰撞或翻轉(zhuǎn)時(shí)，能將乘員牢牢地束縛在座椅上，避免乘員被甩出車外或發(fā)生二次碰撞，以保證乘員的生命安全。而三點(diǎn)式安全帶無(wú)疑是貢獻(xiàn)最大的，迄今為止，三點(diǎn)式安全帶仍是保障乘員生命安全最有效的裝置之一。隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)高速的發(fā)展，汽車從奢侈品變得越來(lái)越大眾化。

相關(guān)資料顯示，2009年全國(guó)汽車數(shù)量為1379.5萬(wàn)輛，比去年同比增長(zhǎng)48.2%。私人汽車保有量5218萬(wàn)輛，增長(zhǎng)25%。民用轎車保有量3136萬(wàn)輛，增長(zhǎng)28.6%。私人轎車2605萬(wàn)輛，增長(zhǎng)33.8%。數(shù)據(jù)增長(zhǎng)的同時(shí)，也帶來(lái)了安全方面的隱患，2009年全國(guó)道路交通事故23.8萬(wàn)起，有6.8萬(wàn)人死亡。排除那些不負(fù)責(zé)任的駕駛員，人們對(duì)于車輛的安全性越來(lái)越重視，對(duì)于汽車安全性能的要求也越來(lái)越高。自三點(diǎn)式安全帶創(chuàng)始至今的50多年里，隨著安全氣囊的發(fā)展，三點(diǎn)式安全帶也在逐步完善，除了基本的限制乘員自由行動(dòng)的功能外，還增加了預(yù)張緊、限制力值及為了保障兒童乘員安全的兒童座椅固定功能KISI等特殊功能來(lái)增加安全性。

本文重點(diǎn)介紹現(xiàn)今比較普及的預(yù)張緊功能、限力功能及KISI功能。

為了配合安全氣囊充分打開，安全帶系統(tǒng)有了預(yù)張緊功能。安全帶的預(yù)張緊功能是在事故發(fā)生時(shí)，乘員身體還未有前傾動(dòng)作時(shí)，預(yù)緊裝置及時(shí)收緊安全帶織帶，從而消除乘員與安全帶織帶之間的間隙，緊緊地將乘員束縛在座椅上，以保證安全氣囊充分打開的時(shí)間，使安全帶預(yù)緊器與氣囊同步作用于乘員，避免由于乘員過(guò)早接觸到未充分展開的氣囊而受到來(lái)自氣囊的傷害，同時(shí)通過(guò)在時(shí)間方面的高精度配合，進(jìn)一步提高對(duì)乘員生命安全的保護(hù)效果。根據(jù)安全帶與車身的固定點(diǎn)，預(yù)緊裝置通常可以被應(yīng)用到卷收器本體部分、帶扣鎖部分及端片部分。

卷收器本體部分是三點(diǎn)式安全帶主要組成部分，這一部分實(shí)現(xiàn)安全帶的拉出與卷收及其他一些特殊功能。包括對(duì)車輛加速度敏感而鎖止，對(duì)織帶加速度敏感而鎖止等等。隨著對(duì)車輛安全性能要求的提高，大部分汽車制造商將預(yù)張緊裝置與卷收器本體結(jié)合起來(lái)，這也是安全帶預(yù)張緊功能主要的實(shí)現(xiàn)方式，現(xiàn)階段大部分車型的預(yù)張緊功能均是由此種形式實(shí)現(xiàn)的。預(yù)緊裝置的主要實(shí)現(xiàn)方式則為鋼球式，主要原理是碰撞瞬間（根據(jù)車身結(jié)構(gòu)及安全氣囊的配置）氣體發(fā)生器引爆，高壓氣體推動(dòng)安裝在鋼管里的鋼球推動(dòng)用來(lái)纏繞織帶拉出卷收的芯軸反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)張緊功能，達(dá)到保護(hù)乘員生命安全的目的。此外還有鋼帶及鋼絲結(jié)構(gòu)的預(yù)緊形式，由于對(duì)預(yù)緊距離要求的提高及空間的限制，鋼帶及鋼絲結(jié)構(gòu)的形式并不常見(jiàn)。

帶扣鎖部分的主要作用是通過(guò)與固定在安全帶織帶上的鎖舌配合，達(dá)到固定乘坐在座椅上乘員以及當(dāng)乘員離開座椅時(shí)解除束縛的作用。由于帶扣鎖在工作時(shí)是與織帶連接的，因此，也可以將預(yù)緊裝置與帶扣鎖部分結(jié)合在一起而達(dá)到發(fā)生意外時(shí)收緊織帶的目的。使用在帶扣鎖上的預(yù)緊裝置通常為一根鋼管，內(nèi)部有鋼絲與一活塞，發(fā)生事故時(shí)，以氣體發(fā)生器產(chǎn)生的氣體為驅(qū)動(dòng)，推動(dòng)活塞帶動(dòng)鋼絲使帶扣鎖向座椅下部產(chǎn)生位移，從而拉緊織帶達(dá)到預(yù)緊的功能。

端片部分主要是用于固定安全帶織帶端，由于其與織帶相連接，因此，用于帶扣鎖部分的預(yù)緊裝置也可以用在端片上，工作原理與帶扣鎖部分相同。

以上三種形式雖然都可以配置預(yù)緊功能，但是每種結(jié)構(gòu)形式有其自身的適用范圍。一般來(lái)說(shuō)從經(jīng)濟(jì)性及功能上來(lái)看，卷收器本體部分預(yù)緊具有安裝方便，占用空間小，能夠有效控制胸部位移等優(yōu)點(diǎn)，一直被眾多汽車制造商使用，但是由于其功能實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜，涉及零部件較多，對(duì)零部件加工精度，裝配工藝要求較高，對(duì)腹部位移的約束作用也有限，因此，可以根據(jù)情況（單獨(dú)或同時(shí)）配備帶扣鎖或端片位置的預(yù)緊器，以達(dá)到約束乘員的作用。而通過(guò)madymo軟件分別對(duì)無(wú)預(yù)緊安全帶，卷收器預(yù)緊安全帶，帶扣預(yù)緊安全帶及卷收器帶扣雙級(jí)預(yù)緊安全帶建立模型，通過(guò)仿真比較頭部與胸部加速度值，可以得出采用預(yù)緊器能夠有效降低頭部與胸部加速度的峰值，而鎖扣預(yù)緊對(duì)于降低傷害峰值更有效果，同時(shí)對(duì)于無(wú)預(yù)緊器模型的傷害值（頭部HIC36和胸部3 ms加速度）進(jìn)行歸一化處理，得出采用預(yù)緊器能夠使HIC36和T3 ms降低15%～25%左右，而雙級(jí)預(yù)緊對(duì)于乘員保護(hù)有更高的效率，對(duì)于雙級(jí)預(yù)緊的配置以后還需更進(jìn)一步的研究。

安全帶的限力功能是由限力裝置實(shí)現(xiàn)的，在碰撞過(guò)程中，由于安全帶要將乘員固定在座椅上以達(dá)到保護(hù)乘員的目的，因此，對(duì)安全帶織帶要求有足夠的強(qiáng)度以及很低的延伸率（國(guó)標(biāo)、美標(biāo)、歐標(biāo)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)不同），相當(dāng)于在安全帶織帶受拉過(guò)程中，織帶是剛性的，因此與織帶接觸的胸部也承受了很大的壓力，這樣往往會(huì)造成乘員的傷害甚至死亡。于是，為了限制胸部承受的力值，便將限力裝置應(yīng)用于安全帶系統(tǒng)上。安全帶限力器是一種吸能裝置，通常為金屬桿狀，大多安裝在安全帶卷收器中，當(dāng)織帶承受的力大于某個(gè)值時(shí)（力值根據(jù)車身系統(tǒng)配置及氣囊來(lái)進(jìn)行計(jì)算，力值越小胸部前移量則越大）限力器開始作用，吸收能量，并放出織帶，以減少乘員胸部受到的傷害，并配合氣囊的及時(shí)打開達(dá)到保護(hù)乘員生命安全的作用。為了更好地與氣囊配合，國(guó)外先進(jìn)安全帶制造商研制了一種雙級(jí)限力結(jié)構(gòu)，它有兩個(gè)限力器組成，碰撞初期兩個(gè)限力裝置一起作用，以保證胸部在承受某一固定力值時(shí)不會(huì)因前移量過(guò)大而過(guò)早接觸安全氣囊，隨后其中一個(gè)限力裝置脫開以緩解胸部壓力，有效地控制了胸部的傷害值。

通過(guò)madymo軟件，分別建立限力值為3.5 kN、4.5 kN及5.5 kN的數(shù)學(xué)模型，為了便于比較，將乘員運(yùn)動(dòng)的空間設(shè)置為無(wú)限，再對(duì)各種限力值下胸部3 ms加速度及胸位移進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)乘員安全空間足夠時(shí)，限力值越低，對(duì)乘員保護(hù)能力越高，但由于實(shí)際整車環(huán)境對(duì)乘員空間的影響，人體的運(yùn)動(dòng)是受生存空間限制的，因此具體的限力值還要根據(jù)整車的參數(shù)來(lái)進(jìn)行匹配。

由于兒童乘員是一個(gè)特殊的乘員群體，因此，普通的汽車座椅及安全帶系統(tǒng)并不適用于兒童乘員群體，為此特制的兒童座椅問(wèn)世了，隨之而來(lái)的，對(duì)于安全帶系統(tǒng)的功能也有了更進(jìn)一步的要求，這種要求便是安全帶系統(tǒng)能夠?qū)和卫卫蔚墓潭ㄗ。辉试S其有任何的位移，KISI功能便是通過(guò)一種特殊裝置來(lái)達(dá)到這種功能的。當(dāng)安全帶織帶拉出到一定位置時(shí)，KISI功能便啟動(dòng)，這時(shí)織帶不再能夠拉出，只能夠回收，從而達(dá)到了固定兒童座椅的功能。

[1]2009中華人民共和國(guó)道路交通事故統(tǒng)計(jì)年報(bào).公安部交通管理局,2010.

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