汽車安全帶的進(jìn)化史

陳富國(guó)

【中圖分類號(hào)】U46 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】2095-3089（2018）15-0253-02

自1886年卡爾·本茨先生制造了世界上第一輛汽車并成功申請(qǐng)專利，汽車由此進(jìn)入了人類的生活，并深刻的影響了世界的發(fā)展方向，使人類追求速度的腳步又向前邁出了一大步。但是，科學(xué)是一把雙刃劍，隨著物體移動(dòng)速度的增加，隨之而來的就是發(fā)生事故的危險(xiǎn)的增加。因此，人們?cè)诓粩嘧非蟾叩乃俣鹊耐瑫r(shí)，也開始思考如何在發(fā)生碰撞時(shí)更好的保護(hù)車內(nèi)的乘客。

關(guān)于乘坐汽車，大家最熟悉的安全措施大概就是系安全帶了。目前世界上絕大多數(shù)的國(guó)家都在法律上明確規(guī)定了乘坐汽車必須要系安全帶，法律上對(duì)安全帶的使用規(guī)定甚至比對(duì)安全氣囊的還要嚴(yán)格。那么這根帶子有什么過人之處，使各國(guó)都立法強(qiáng)制要求所有的汽車上都安裝、使用安全帶，安全帶是如何誕生的，又經(jīng)歷了哪些變化和發(fā)展呢？

汽車在誕生之初，座椅和家里的凳子差不多，好一些的就是個(gè)沙發(fā)，在發(fā)生事故時(shí)對(duì)人的保護(hù)能力十分有限。

我們知道，物體由于運(yùn)動(dòng)而具有的能量叫做動(dòng)能，其表達(dá)式為E=（mv2）/2。目前根據(jù)我們國(guó)家的法律法規(guī)，當(dāng)我們?cè)诟咚俾飞掀椒€(wěn)行駛的時(shí)候，最高速度可以達(dá)到120km/h，暨只需3秒鐘的時(shí)間，就移動(dòng)了100米，相當(dāng)于從約57米的高處落下的速度。即使按照《中國(guó)新車評(píng)價(jià)規(guī)程》暨C-NCAP的四項(xiàng)碰撞測(cè)試中要求最低的50km/h的速度測(cè)試碰撞，也達(dá)到13.9m/s，相當(dāng)于從約四層樓10米高的距離自由落下。對(duì)人來說，這是相當(dāng)快的一個(gè)速度了，一旦發(fā)生碰撞，必定會(huì)對(duì)人體造成很大的傷害。那么在碰撞中如何才是最好的保護(hù)乘客的措施呢？答案就是把乘客盡量固定在座椅上。

由牛頓第一定律我們知道，任何有質(zhì)量的物體都有慣性。當(dāng)車輛發(fā)生碰撞，車體受到一個(gè)很大的撞擊力，速度很快的減下來，甚至停了下來，而我們的身體由于慣性，還保持剛才的速度繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，就會(huì)與方向盤或者儀表臺(tái)、玻璃窗等發(fā)生碰撞。如果這時(shí)乘客系好了安全帶，安全帶就會(huì)提供一個(gè)足夠大的力，使人也跟著一起減速下來，從而避免了和其他物體的硬性碰撞。

1885年紐約的Edward J. Claghorn將英國(guó)工程師George Cayley的發(fā)明搶先注冊(cè)為自己的專利，世界上第一個(gè)有關(guān)安全帶的專利誕生。當(dāng)時(shí)只是“通過鉤子和其他裝置將人安全固定在物體上”的“游客安全帶”，這樣的描述我們甚至很難想象它的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。

1902年紐約的一場(chǎng)汽車競(jìng)賽上發(fā)生車禍，造成兩人死亡，數(shù)十人受傷。但是在這場(chǎng)車禍中，車手卻死里逃生，原因是他在比賽前用幾根皮帶將自己和同伴綁在了座位上，他的初衷有可能只是想在激烈的比賽中固定好自己，以免在急速轉(zhuǎn)彎時(shí)被甩來甩去，方便操作車輛。這幾根皮帶就是汽車安全帶的雛形，它的首次使用就挽救了兩位車手的性命，也讓人們意識(shí)到了安全帶的重要性。

1911年，美國(guó)軍人Benjamin Foulois在一架飛機(jī)上安裝了安全帶，但他的目的并不是出于安全考慮，而是為了在顛簸的跑道上起飛或者降落時(shí)讓身體不那么晃動(dòng)，從而更好的操控飛機(jī)。

這個(gè)時(shí)期出現(xiàn)的一些初期安全帶的固定點(diǎn)主要是在下腹部?jī)蓚?cè)，橫跨髖部的兩點(diǎn)式安全帶，就是一根“安全腰帶”。

在20世紀(jì)中，美國(guó)等的一些汽車公司開始提供這樣的安全帶作為可選配置，比如納什公司在1949年，福特公司在1955年開始為一些車型提供安全帶選裝件，瑞典的Saab公司則在1958年將兩點(diǎn)式安全帶作為了汽車的標(biāo)準(zhǔn)配置裝配在了Saab 93GT750型車上，使這款車成為世界上第一款標(biāo)配了安全帶的車型。時(shí)至今日，我們?nèi)钥梢栽诓糠周囆偷牡诙胖虚g位置、大巴、飛機(jī)等見到兩點(diǎn)式安全帶的使用。

兩點(diǎn)式安全帶比沒有安全帶要安全的多，但是大家還是很快發(fā)現(xiàn)這樣的設(shè)計(jì)是無法對(duì)人體的上半身進(jìn)行有效約束的，人的軀干和頭、頸部仍然會(huì)在碰撞時(shí)由于慣性向前運(yùn)動(dòng)，從而發(fā)生碰撞導(dǎo)致受傷。所以三點(diǎn)式安全帶誕生了。其實(shí)早在1951年，就有兩位美國(guó)前飛行員為一種三點(diǎn)式安全帶申請(qǐng)了專利，他們?cè)O(shè)計(jì)了一種Y形的三點(diǎn)式安全帶，并將斜掛帶的扣接點(diǎn)置于座后-幾乎就在乘員的身后。這種安全帶與一個(gè)放在腹部上的扣環(huán)相連，叫做組合式肩-腰安全帶，并申請(qǐng)了專利。

〖TP90.JPG；%45%45，Y〗影響深遠(yuǎn)的汽車使用三點(diǎn)式安全帶是沃爾沃（Volvo）工程師Nils Bohlin于1959年發(fā)明。他在任職沃爾沃公司之前，曾在瑞典航空工業(yè)負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)飛行員座椅彈射器，對(duì)在極端條件下如何保障生命安全有著深刻的認(rèn)識(shí)和研究。此前沃爾沃公司已經(jīng)把一種斜帶式兩點(diǎn)安全帶安裝在了汽車的前排座上，但是效果并不完美，在極端情況下，乘客容易從安全帶側(cè)面滑出從而導(dǎo)致危險(xiǎn)。尼爾斯的發(fā)明從人體生理學(xué)的角度看是很理想的位置，從肩部斜跨到腰部，再橫向的跨過人體下腹部。如圖所示，對(duì)乘客來說，就是在人的左肩或右肩以及左右胯部各有一個(gè)固定點(diǎn)，所以〖TP91.JPG；%45%45，Y〗叫三點(diǎn)式安全帶。一直到現(xiàn)在，汽車上的安全帶依然使用著這樣的基本架構(gòu)。更偉大的是沃爾沃公司及尼爾斯個(gè)人在擁有了三點(diǎn)式安全帶的專利后，并沒有依賴這項(xiàng)重要的發(fā)明牟利，而是把它分享給了全世界，任何汽車廠商都可以免費(fèi)使用這項(xiàng)專利，這一做法贏得了全球的贊譽(yù)。

初期的三點(diǎn)式安全帶長(zhǎng)度不能改變，很明顯我們無法用一根固定長(zhǎng)度的帶子適應(yīng)不同體型的乘客，并且如果這根帶子在平常開車的時(shí)候也一直緊緊勒著我們的身體，會(huì)讓我們很不舒服（這也是少部分人拒絕乘車系安全帶的原因，當(dāng)然這樣做是對(duì)自己和他人極不負(fù)責(zé)任的做法），因此，工程師們開始考慮這個(gè)問題。1968年，三點(diǎn)式安全帶出現(xiàn)了大的改進(jìn)，先是安全帶的一頭出現(xiàn)了一個(gè)帶彈簧的轉(zhuǎn)芯，使安全帶使用時(shí)可以調(diào)節(jié)長(zhǎng)度，之后逐步演化成了現(xiàn)在的安全帶卷收器。我們現(xiàn)在在乘坐汽車使用安全帶時(shí)都知道，緩慢移動(dòng)身體時(shí)，安全帶是可以隨著我們的身體移動(dòng)而伸長(zhǎng)的，但是當(dāng)你快速移動(dòng)時(shí)，安全帶就會(huì)突然“卡死”。這就是卷收器在工作。它雖然默默的埋藏在B柱或C柱的內(nèi)部，但是它的工作非常重要。一是使安全帶使用時(shí)不需要人為的調(diào)節(jié)長(zhǎng)度，由內(nèi)部的預(yù)緊彈簧來提供收緊織帶的力矩來進(jìn)行調(diào)整。二是在突然發(fā)生碰撞時(shí)，及時(shí)制止了安全帶的伸長(zhǎng)，阻止了人由于慣性向前沖。這里列舉一種卷收器內(nèi)部結(jié)構(gòu)。圖中，車輛平穩(wěn)行駛或者減速較緩時(shí)，重塊及與重〖TP92.JPG；%40%40，Y〗塊相連的限位塊不與棘輪接觸，轉(zhuǎn)芯可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)；而當(dāng)發(fā)生碰撞或者是急減速時(shí)，由于慣性作用，重塊向前擺動(dòng)，帶動(dòng)限位塊向上翹起，阻止了棘輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而限制了安全帶的伸長(zhǎng)，使我們感覺被“卡住”了。除此之外，各國(guó)工程師們?cè)O(shè)計(jì)了不同種類的卷收器，雖然內(nèi)部構(gòu)造不同，但是它們要做的工作都差不多。

接下來還有新的問題。如果卷收器外的安全帶過長(zhǎng)，比如冬天人們穿的衣服較多較厚，或者是人們?yōu)榱嘶顒?dòng)自由一些而將安全帶拉出來較多，那么碰撞發(fā)生時(shí)雖然卷收器停止釋放安全帶，但是人體距離安全帶還是有一定距離的，等到人體結(jié)實(shí)的部位，比如胸部、肋部，由于慣性向前“沖”到安全帶的位置并與之碰撞，這時(shí)候很可能是人體承受不了安全帶突然施加給人體的力而導(dǎo)致受傷。

〖TP93.JPG；%40%40，Y〗該怎么辦呢？這里要用到高中物理學(xué)過的動(dòng)量定理來看看工程師們能做什么。Ft=mvt-mv0，這是動(dòng)量定理的表達(dá)式。如果乘客質(zhì)量為75kg，車輛運(yùn)行速度為50km/h（13.9m/s），那么人體的動(dòng)量就是1042.5kgm/s。我們用一個(gè)F-t圖像來表示，就是右邊這個(gè)圖。圖中1線是一般碰撞時(shí)人體受力隨時(shí)間變化曲線，圖像所圍的面積就是人體的動(dòng)量。要讓人體停下來，即動(dòng)量減為零，等式的右邊不是工程師可控的，即圖像的面積大小是不可變的，可以做的工作就是盡量的延長(zhǎng)碰撞發(fā)生的時(shí)間t，或者及早讓人體受到約束力，從而減小人體受到的作用力F的峰值，至少降到人體能夠承受的范圍內(nèi)。

正是出于圖像中1線的實(shí)際碰撞和2線的理想碰撞初段的巨大差別，工程師們想到的辦法是在碰撞發(fā)生瞬間安全帶立刻收縮，及時(shí)的把人體約束在座椅上，使安全帶在碰撞發(fā)生的初期就開始對(duì)人體施加向后的作用力，像2線一樣及早的開始上揚(yáng)，及早的開始使人體減速，才能得到峰值足夠小的理想的2線。這個(gè)裝置叫預(yù)緊器，也叫預(yù)縮器。對(duì)于三點(diǎn)式安全帶，固定點(diǎn)只有三個(gè)，所以預(yù)緊器無外乎三種：卷收器預(yù)緊器，卡扣預(yù)緊器，錨點(diǎn)預(yù)緊器。其中卷收器預(yù)緊器中一種比較常見的叫“爆燃式預(yù)緊器”，如右圖所示。箭頭所指的柱狀部分是炸藥，之所以選擇炸藥是因?yàn)樗梢栽诤撩爰?jí)別〖TP94.JPG；%40%40，Y〗時(shí)間內(nèi)就做出反應(yīng)。爆炸后推動(dòng)前方的鋼珠運(yùn)動(dòng)，再推動(dòng)棘輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而將安全帶收緊。除了使用炸藥外，也有使用電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)輪的，優(yōu)點(diǎn)的可以重復(fù)使用，缺點(diǎn)是成本較大，對(duì)電機(jī)的要求較高。

當(dāng)然這個(gè)2線畢竟是理想化的曲線，是工程師們追求做到的，實(shí)際碰撞中很可能是如圖中的3線。在爆燃式預(yù)緊器的作用下，安全帶較早的收緊作用在人體上。但是仍難以保證每次碰撞的峰值不會(huì)超過人體能承受的最大值，這時(shí)仍會(huì)對(duì)人體造成傷害。于是，限力器出現(xiàn)了。一般是通過卷收機(jī)構(gòu)上設(shè)計(jì)一根可變形的金屬軸心來實(shí)現(xiàn)的，拉力達(dá)到一定程度后，這根軸心發(fā)生塑性形變，對(duì)拉力進(jìn)行〖TP95.JPG；%40%40，Y〗“封頂”，這個(gè)變形同時(shí)還能多“吐出”一些安全帶來延長(zhǎng)作用時(shí)間，并且工程師是可以控制“封頂”力的值的。這樣就可以得到如圖中4線一樣較為理想的曲線了。

聰明的工程師們沒有就此停止研究。通過更細(xì)致的研究發(fā)現(xiàn)，不同的乘客高矮胖瘦都不一樣，一位45kg的女士和一位90kg的壯漢體型相差懸殊，承受力也不一樣。如果使用相同力值的限力器，必會(huì)〖TP96.JPG；%40%40，Y〗顧此失彼，影響設(shè)計(jì)預(yù)期。于是自適應(yīng)限力器面世了。它可以根據(jù)使用者的具體體型進(jìn)行限力的調(diào)整。它需要一些配合才能很好的工作，比如通過座椅上的體重傳感器讀取乘客的體重信息等。

腳步并未停止！汽車工程師們經(jīng)過仔細(xì)的研究人體物理承壓極限后，有了驚人的發(fā)現(xiàn)：在碰撞的初期，人體可以承受較大的峰值力而不受傷，如果該力值持續(xù)下去，才會(huì)導(dǎo)致骨折。于是就有瘋狂的工程師開始嘗試讓限力器在初始階段保持一個(gè)較大的、人體可承受的峰值，一小段時(shí)間后，在人體即將不能承受時(shí)再把峰值降下來。這就是兩段式限力預(yù)緊器。如圖中的5線。

工程師還曾對(duì)不同年齡的乘客骨骼強(qiáng)度做了研究，一個(gè)20多歲的年輕人肯定和一個(gè)60多歲的老人家不能使用同一個(gè)限力峰值。而目前幾乎所有的限力器還是基于50%受眾體的男性標(biāo)準(zhǔn)人體參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，對(duì)一些邊緣人群還是考慮不足。于是有人提出了電控限力的概念。這個(gè)裝置可以手動(dòng)輸入或結(jié)合人臉識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行更精準(zhǔn)的識(shí)別，根據(jù)駕駛員和乘客的具體情況來調(diào)整限力參數(shù)，以提供更佳的預(yù)防措施。

最后再說兩點(diǎn)：第一，前面所說的各種發(fā)明好像都發(fā)生在卷收器，其實(shí)工程師們?cè)阱^點(diǎn)、卡扣等位置也做了很多的文章，比如類似爆燃式卷收器的“爆燃式錨點(diǎn)預(yù)緊器”，也是利用炸藥的爆炸在碰撞初期使錨點(diǎn)部位的安全帶適量收縮，達(dá)到預(yù)收緊的作用。第二，即使在看起來很不起眼的卡扣位置，也大有文章可做。工程師們發(fā)現(xiàn)，某些情況下安全帶在卡扣兩邊會(huì)出現(xiàn)一邊較緊，一邊較松。當(dāng)碰撞發(fā)生時(shí)，較緊的一邊會(huì)從卡扣處從另一邊抽〖LL〗一部分安全帶過來，而碰撞時(shí)安全帶過緊可不是好事，尤其是人體上軀干部位。由此就有了“動(dòng)態(tài)鎖舌卡扣”（Dynamic Locking Tongue，簡(jiǎn)稱DL〖TP97.JPG；%40%40，Y〗T）。它相當(dāng)于一個(gè)袖珍凸輪軸，在正常情況下，安全帶可以在卡扣上順滑移動(dòng)，一旦在發(fā)生碰撞，安全帶上的張力增加（普遍峰值是5kg時(shí)），這個(gè)鎖舌就會(huì)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，把織帶牢牢卡住，織帶就再也無法通過卡扣滑動(dòng)了。這樣安全帶橫跨髖部的部分就不會(huì)從橫跨胸部的部分抽取一些過來，避免了胸部受到更大的勒擠，導(dǎo)致胸部受傷，極端情況下可以避免乘客從安全帶下面滑出，造成保護(hù)失效。

安全帶，一根帶子，三個(gè)固定點(diǎn)，無數(shù)的工程師絞盡腦汁在這小小方寸間為保障乘客的生命安全、減小受到傷害的程度而努力，我們需要做的，就是上車，請(qǐng)系好安全帶。