汽車安全帶系統(tǒng)的新近進展

李婭楠，毛秀娟，周細應，喬宇

（上海工程技術大學材料工程學院，上海 201620）

0 前言

在汽車碰撞事故中，安全帶系統(tǒng)是最重要的成員保護裝置［1］。汽車安全帶是將乘員約束在座椅上的安全裝置，當事故發(fā)生時，限制乘員的位置，避免乘員與車體其他部位發(fā)生碰撞傷害，同時它的緩沖作用能吸收大量動能，降低事故對駕乘人員的傷害程度［2］。目前汽車安全帶主要分為普通安全帶、限力式安全帶、預張緊限力式安全帶、預卷式預張緊限力式安全帶［3］。隨著汽車安全碰撞性能的不斷提高，安全帶技術獲得飛速的發(fā)展。安全帶系統(tǒng)的技術已日趨于成熟，在滿足安全性能的同時，人們對安全帶系統(tǒng)的舒適性要求也越來越高。因而主被動安全系統(tǒng)的結合，智能化系統(tǒng)的運用成為未來安全帶系統(tǒng)的一個發(fā)展方向。

1 安全帶的作用及保護機理

安全帶的主要作用在于事故發(fā)生時，將駕乘人員牢牢地拴在座椅上，防止二次碰撞，避免造成人員與車體其他部位的碰撞傷害，同時它的緩沖作用能吸收大量的動能，降低事故對駕乘人員的傷害程度［2］。

在典型的安全帶系統(tǒng)中，安全帶與一個卷收器相連，卷收器中的核心元件是卷軸，它與安全帶的一端相連。在卷收器內部，一個彈簧為卷軸提供旋轉作用力 （或扭矩）。它會旋轉卷軸，以便卷起任何松弛的安全帶。當拉出安全帶時，卷軸將逆時針旋轉，并使相連的彈簧也沿相同方向旋轉。這樣，旋轉的卷軸就反扭了彈簧。因為彈簧想要恢復到原狀，因此它會抗拒這一扭轉運動。若松開安全帶，彈簧將收緊，并順時針旋轉卷軸，直至使安全帶張緊。卷收器有一個鎖定機構，可在汽車發(fā)生碰撞時停止卷軸的旋轉。現(xiàn)有兩種常用的鎖定系統(tǒng):由汽車運動觸發(fā)的系統(tǒng)和由安全帶運動觸發(fā)的系統(tǒng)，如圖1、2所示。

目前安全帶多配有預緊器系統(tǒng)來收緊安全帶，在發(fā)生碰撞時收緊安全帶的松弛部分。一些較高級的安全帶系統(tǒng)使用負載限力器來盡可能減少安全帶造成的傷害。當有巨大的作用力施加到安全帶上時，額外釋放更多安全帶。

2 安全帶種類及其性能

安全帶系統(tǒng)一般是由卷收器、織帶及鎖扣等組成。安全帶主要靠織帶的拉伸變形吸收能量，減緩二次碰撞的強度。安全帶的區(qū)別主要在于卷收器，按卷收器的類型，可分為無鎖式、自鎖式、緊急鎖止式、預緊式和限力式等幾種［4］。目前市場上使用較多的安全帶系統(tǒng)為普通安全帶、限力式安全帶、預緊限力式安全帶、預卷式預緊限力式安全帶。

2.1 普通安全帶

普通安全帶是在安全帶鎖止后通過安全帶自身的變形來吸收人體的碰撞能量，降低胸部加速和胸部壓縮量。由于普通安全帶對人體胸部的保護效果有限，目前只在一些低價位乘用車和商用車當中使用［3］。安全帶在預防致死性損傷的同時，其本身也可造成一定的損傷。劉寶松等［5］，探討了轎車在碰撞過程中安全帶的防護能力和致傷效應。研究表明，當碰撞車速達到44 km/h時，安全帶本身即可導致嚴重的臟器損傷。隨著碰撞車速的提高，安全帶的致傷效應會更加突出，應配合其他防護裝置共同使用，進一步提高安全帶的防護性能。

2.2 限力式安全帶

限力式安全帶是在普通安全帶卷束器中心安裝一根限力桿，通過限力桿扭曲變形限制安全織帶的增長，將織帶控制在某一恒定范圍內，可以降低胸部加速度和胸部位移量［3］。TRW公司推出了多款限力桿:卷收器恒力限力桿 （CLL）、卷收器遞減限力桿 （DLL）、卷收器遞增限力桿 （PLL）、卷收器智能式 （可轉換型）限力桿 （SLL）、帶扣鎖限力桿、固定片限力桿。

Autoliv公司開發(fā)了安全帶限力器，該限力器是由一根扭力桿制成的伸縮軸構成，當安全帶承受的力超過一定的值后，該軸開始扭轉，達到一定的扭力后，系統(tǒng)將釋放一定的安全帶［6］，該限力器系統(tǒng)與安全氣囊共同作用，氣囊可以吸收乘員身上剩余能量。Autoliv公司試驗證明，使用安全帶限力器可以降低一半頭部受傷程度，同時有很高的胸部減速作用，如圖3所示。

張學榮等［7］，通過正面碰撞模型，對比了不同的安全帶限力器模型對乘員的保護效果。表明，帶有限力器的安全帶可以減輕乘員胸部載荷。釋放一定量的安全帶織物，使乘員繼續(xù)向前運動，維持胸部載荷在限定的水平。充分發(fā)揮安全氣囊的保護效果，并使頭部的傷害值減小，如圖4所示。

Gerhard等［8］發(fā)明了一種二級式限力式安全帶。汽車發(fā)生碰撞時，限力器的扭桿扭轉使安全帶的受力限制在一個較低的水平。乘員的肩部在碰撞后的25 ms達到最大值，持續(xù)30～37 ms后肩部受力達到一恒定值約4.5～5 kN。

2.3 預緊限力式安全帶

預張緊限力式安全帶就是在限力式安全帶上增加預緊器，是通過安全氣囊ECU發(fā)出一個預緊點火信號，預緊器內的火藥燃燒產生高壓氣體作為卷曲動力，消除安全帶與人體之間的間隙，使乘員頭部和胸部的加速度降低。根據(jù)預緊器所在的位置不同可分為:卷收器預緊器、帶扣預緊器和帶扣雙預緊的雙級預緊器。研究表明［7］，雙級預緊器的非約束系統(tǒng)效率最高，能對安全帶的肩帶和腰帶同時進行預緊。

唐波對安全帶性能的研究表明［3］，普通安全帶限力器的作用范圍僅為95～110 mm，因此當限力軸扭曲到一定程度后其扭力出現(xiàn)衰退。對于限力式安全帶，預緊器點火時刻控制在15～22 ms（超過40 ms后人體相對車體已經運動，預緊器失去了作用），預緊力控制在1.4 kN左右，預緊力維持持續(xù)時間12～14 ms;限力值控制在4 kN，限力器持續(xù)距離為110 mm。目前限力值分為3 kN、4 kN、5 kN 3個擋，如果超過5 kN就失去了限力的作用。

預緊限力式安全帶，由于消除了安全帶與人體之間的間隙，預緊器的效果非常好，預緊器的預緊力為1.4 kN，持續(xù)時間為20 ms。限力器的作用長度較短，僅為80 mm，需要作進一步的改進，將限力器的作用距離提高到100～110 mm。

2.4 預卷式預緊限力式安全帶

預卷式預緊限力式安全帶是在預張緊限力式安全帶上增加了預卷電機系統(tǒng)，其工作原理是通過雷達裝置感應車輛與前車的間距，如果間距小于某一設定值，其ECU發(fā)出信號控制電機運動，消除安全帶與人體之間的空隙，并且提醒駕駛員緊急制動或者應急處理。該款安全帶系統(tǒng)是未來安全帶系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，其融合了主動安全和被動安全技術?？赏ㄟ^預卷器的定時收放安全帶來提醒駕乘人員，其提醒效果遠遠高于聲音控制及其他的提醒裝置［9］。Autoliv公司的自適應式安全帶限力器優(yōu)點是控制時間非常短暫，且在撞車時系統(tǒng)仍然能夠依據(jù)事故的嚴重程度作出調整限力器拉緊力的決定［7］。

3 汽車安全帶系統(tǒng)的展望

汽車產業(yè)的發(fā)展促進安全性能的提高。其中安全帶系統(tǒng)是保證汽車安全的最重要的裝置之一。當前汽車安全系統(tǒng)的設計既要滿足安全性的要求也要滿足舒適性的要求［10］。有研究表明，舒適性的改進會提高佩戴率，從而挽救生命［11］。同時汽車座椅安全帶針對前后排乘員的安全帶設計也是不同的。福特最近推出一款氣囊式安全帶［12］，它的氣囊能在碰撞發(fā)生的40 ms內在乘客的軀干和肩膀處展開。其舒適性等同于傳統(tǒng)的安全帶，從而提高了后排安全帶的使用率。汽車安全系統(tǒng)輔以“智能”的調節(jié)系統(tǒng)為汽車的整車安全性的提高提供了潛能。汽車安全系統(tǒng)的智能化，主被動安全技術的結合是未來發(fā)展的一個趨勢。通過碰撞傳感技術，根據(jù)不同成員的體型及坐姿自動調節(jié)座椅的位置［13－15］，這項技術目前還處在起步階段。安全帶系統(tǒng)的各項參數(shù)的相互匹配以及提高安全帶佩戴舒適的要求是安全帶研發(fā)與制備工作者需要探討的內容。

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