汽車安全帶研究現(xiàn)狀分析

秦鈺軒，寧佳佳，吳天宇，謝建華，時(shí) 謙，劉 幫

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，烏魯木齊830052）

0 引言

現(xiàn)代城市交通的發(fā)展在創(chuàng)造了便利的同時(shí)也增加了安全隱患。交通安全不僅關(guān)系到乘客的生命安全，還關(guān)系到和諧社會(huì)的建設(shè)。汽車行駛時(shí)，安全帶是車內(nèi)人員安全保障的第一措施，可有效保障車內(nèi)乘客和司機(jī)的安全。

1 汽車設(shè)置主動(dòng)安全機(jī)構(gòu)的意義

自21世紀(jì)起，我國汽車的保有量持續(xù)、高速、穩(wěn)定增長。隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，汽車安全成為汽車發(fā)展的核心主題之一。安全氣囊和安全帶已成為汽車中不可或缺的重要防護(hù)裝備。汽車發(fā)生交通事故時(shí)，安全氣囊和安全帶的配合使用為車內(nèi)乘員提供了更強(qiáng)的安全保障，有效地減少交通事故傷亡[1]。

2009～2018年全國交通事故，因機(jī)動(dòng)車造成的道路安全事故比例達(dá)到90%以上，數(shù)據(jù)顯示其中汽車交通事故發(fā)生率在機(jī)動(dòng)車事故率中占比高達(dá)75%。而安全帶作為保障汽車安全的重要裝置，在極大程度上避免了安全事故中的人員傷亡。

2 汽車安全帶的研究現(xiàn)狀

2.1 國外汽車安全帶研究現(xiàn)狀

在汽車安全帶研發(fā)方面，以美國為代表的發(fā)達(dá)國家起步早，發(fā)展速度快，1968年美國制定了第一部汽車安全法規(guī)。隨著安全帶技術(shù)研究的不斷深入，其結(jié)構(gòu)以及性能也越來越完善，除了注重新產(chǎn)品的開發(fā)，國外不少研究機(jī)構(gòu)開始將研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到安全帶的鎖止性能以及約束性能上。文獻(xiàn)[2]研究了安全帶緊急鎖止過程中出現(xiàn)跳鎖的原因，對(duì)汽車安全帶卷收器的鎖止過程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)研究，利用橢圓函數(shù)建立了動(dòng)力學(xué)模型，通過理論分析以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法，研究織帶松弛量對(duì)卷收器鎖止性能的影響，最終得出織帶松弛對(duì)汽車碰撞過程的緊急鎖止以及乘員安全具有負(fù)面影響的結(jié)論。文獻(xiàn)[3]研究了帶預(yù)緊以及不帶預(yù)緊功能的不同安全帶在車輛側(cè)翻過程中的性能，進(jìn)行了多次翻車實(shí)驗(yàn)測試，主要分析了安全帶對(duì)駕駛員和右前座位乘員的約束性能，結(jié)果表明預(yù)緊式安全帶相比于非預(yù)緊式安全帶，在車輛側(cè)翻過程中，近側(cè)乘員安全帶拉出量約減少25mm，遠(yuǎn)側(cè)乘員安全帶拉出量約減少50mm。文獻(xiàn)[4]通過使用Adams和Life MOD軟件的組合，以及Hybrid-III虛擬模型對(duì)電動(dòng)預(yù)緊卷收器的運(yùn)行進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真，以評(píng)估在各種碰撞情況下電動(dòng)預(yù)緊卷收器的性能。通過觀察安全帶上的力和位移，進(jìn)一步評(píng)估了電動(dòng)預(yù)緊卷收器對(duì)每個(gè)預(yù)定碰撞場景的響應(yīng)。文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了一種基于Matlab軟件的數(shù)值程序，使用Marc軟件實(shí)現(xiàn)簡單的數(shù)值程序?qū)φ麄€(gè)預(yù)張緊操作過程進(jìn)行建模，以此來模擬計(jì)算汽車安全帶中使用的大功率預(yù)緊器的鎖止性能。通過將實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果與數(shù)值仿真結(jié)果進(jìn)行比較，將氣體爆炸實(shí)驗(yàn)所得的壓力數(shù)據(jù)與程序計(jì)算所得的時(shí)間-齒條位移數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的數(shù)值程序的可靠性。文獻(xiàn)[6]對(duì)預(yù)緊式安全帶進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，該預(yù)緊器是由齒條和齒輪組成的齒輪機(jī)構(gòu)，使用Adams多體動(dòng)力學(xué)軟件建立預(yù)緊式安全帶的動(dòng)力學(xué)模型。通過比較仿真模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果，驗(yàn)證了動(dòng)力學(xué)仿真模型動(dòng)態(tài)模型的可靠性，對(duì)齒條和齒輪的輪廓進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高卷收器的預(yù)緊收縮量，并優(yōu)化模型的織帶預(yù)緊收縮量達(dá)到120mm。國外學(xué)者對(duì)汽車安全約束系統(tǒng)的相關(guān)研究多采用實(shí)驗(yàn)測試以及計(jì)算機(jī)模擬仿真兩種方法，理論層面的數(shù)學(xué)分析則相對(duì)較少。

2.2 國內(nèi)汽車安全帶研究現(xiàn)狀

國內(nèi)企業(yè)以及研究機(jī)構(gòu)在汽車安全系統(tǒng)方面的研究起步較晚，汽車整體安全技術(shù)相對(duì)落后，尤其是安全帶裝配，其核心技術(shù)相對(duì)缺乏。1992年，公安部發(fā)布關(guān)于駕駛和乘坐小型客車必須使用安全帶的通告[7]，之后又陸續(xù)出臺(tái)相關(guān)法規(guī)。1995年，廣州標(biāo)致汽車公司陳潤燦對(duì)緊急鎖止卷收器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及鎖止工作原理進(jìn)行了初步分析[8]；2001年，上汽天合方根明對(duì)緊急鎖止式安全帶的工作原理進(jìn)行進(jìn)一步分析，并提出安全帶在使用過程中的注意事項(xiàng)[9]；2019年，鮑馬飛[10]對(duì)一款安全帶卷收器的車感鎖止性能、帶感鎖止性能和傾斜鎖止性能進(jìn)行了定量的分析，校核了卷收器的強(qiáng)度性能，并在降低產(chǎn)品成本和提高系統(tǒng)可靠性方面進(jìn)行了有益的探索；重慶大學(xué)田林、陳劉波[11-12]對(duì)復(fù)合敏感緊急鎖止式安全帶做了鎖止性能研究；湖南大學(xué)曹立波教授及其學(xué)生對(duì)主動(dòng)預(yù)緊式安全帶的碰撞性能進(jìn)行了大量研究[13-15]；華南理工大學(xué)杜群貴教授及其學(xué)生對(duì)預(yù)緊安全帶的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，開發(fā)出一款新型預(yù)緊式安全帶，并對(duì)其做了仿真研究[16]；華南理工大學(xué)王紅[17]建立了一套安全帶的三維模型，還建立了帶感鎖止機(jī)構(gòu)和車感系統(tǒng)相結(jié)合的數(shù)學(xué)概念模型，并對(duì)其約束性能進(jìn)行仿真；上海工程技術(shù)大學(xué)王曉聰[18]對(duì)安全帶帶感以及車感機(jī)構(gòu)的鎖止時(shí)間進(jìn)行Adams仿真分析?？v觀近年來國內(nèi)學(xué)者對(duì)汽車安全帶的研究工作，安全帶被集成在約束系統(tǒng)中，其研究重點(diǎn)主要是在碰撞發(fā)生時(shí)乘員的胸部壓力、頭部加速度、位移量等響應(yīng)，以此為指標(biāo)間接得到安全帶的約束性能[19-21]。

對(duì)于安全帶的鎖止行為，目前主要有兩類研究方法，一是定量數(shù)據(jù)分析，通過對(duì)車發(fā)動(dòng)機(jī)的一系列相關(guān)數(shù)據(jù)的嚴(yán)格測試確定安全帶鎖扣的理論可負(fù)擔(dān)范圍；二是計(jì)算機(jī)模擬仿真，國內(nèi)對(duì)汽車安全帶的研究有很多理論的數(shù)學(xué)分析，但實(shí)際的實(shí)驗(yàn)測試卻很少。這對(duì)于提高安全帶的鎖緊性能和結(jié)構(gòu)性能，提高行業(yè)研究人員的技術(shù)研發(fā)水平是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。

3 存在的問題及新設(shè)想

（1）安全帶的約束并不適用于所有人。由于人體型態(tài)差異以及人體慣性，安全帶無法最大限度保障乘客及駕駛員的生命安全，存在設(shè)計(jì)不夠人性化、不夠智能，預(yù)判情況比較局限的問題，無法精準(zhǔn)判斷每一次事故并及時(shí)地做出反應(yīng)。

（2）安全氣囊的展開與安全帶的緊收可能對(duì)人體造成二次傷害。由于安全氣囊年久失修或者汽車出場時(shí)的安裝失誤，事故發(fā)生時(shí)會(huì)出現(xiàn)安全帶鎖扣無法脫開或者安全氣囊未正常彈出的情況，會(huì)對(duì)駕駛員及乘客造成難以挽回的危害。

（3）汽車座椅并不能在所有情況下保障乘客的安全。在汽車發(fā)生正向碰撞時(shí)，汽車座椅會(huì)給乘客和駕駛員帶來極大的慣性，易造成車內(nèi)人員身體損傷，在狹小的汽車箱體內(nèi)，座椅及汽車形變后的狹小空間增加了乘客及駕駛員的逃生難度。

（4）安全帶扣鎖設(shè)計(jì)與優(yōu)化的研究較少。大多數(shù)設(shè)計(jì)是基于安全帶的卷收器與安全帶的肩帶對(duì)人體的影響，考慮的是舒適性和安全帶出現(xiàn)的故障排查，而安全帶上卷首器和肩帶的設(shè)計(jì)很難阻止二次事故的發(fā)生，為了保護(hù)乘客的安全，更應(yīng)該對(duì)汽車上固定的安全帶卡扣進(jìn)行研究和改裝。針對(duì)以上問題，為了提高安全帶的可靠性，對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化是可行且必要的。

課題組設(shè)計(jì)適用（SG90 MG996R—QC—模塊SG90）90°～180°的通用舵機(jī)，如圖1。當(dāng)汽車發(fā)生碰撞事故時(shí)，主板識(shí)別碰撞信號(hào)并發(fā)出指令，舵機(jī)接收指令后驅(qū)使棘輪轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)棘輪逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)至180°時(shí)，通過拉桿Ⅲ、轉(zhuǎn)軸、拉桿Ⅲ帶動(dòng)軸承向下移動(dòng)2～3 cm。軸承向下移動(dòng)時(shí)帶動(dòng)H型上支架和與之相連的H型下支架一起向下移動(dòng)，H型下支架下移帶動(dòng)拉桿Ⅰ下移。拉桿Ⅰ與PUSH按動(dòng)板和壓簧片相連，拉桿Ⅰ下移帶動(dòng)PUSH按動(dòng)板下移，壓簧片向外彈出，PUSH按動(dòng)板回彈，保險(xiǎn)帶解鎖，這樣可以大大提高其可靠性。

圖1 90°～180°的通用舵機(jī)1.主板2.舵機(jī)3.棘輪4.固定銷Ⅰ5.保險(xiǎn)帶底板6.H型上支架7.固定銷Ⅱ8.軸承9.PUSH按動(dòng)板10.壓簧片11.彈簧12.拉桿Ⅰ13.H型下支架14.拉桿Ⅱ15.轉(zhuǎn)軸16.拉桿Ⅲ

該設(shè)計(jì)適用于應(yīng)對(duì)保險(xiǎn)帶突發(fā)故障的狀況，在發(fā)生碰撞事故后，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)碰撞后的車況做出判定、發(fā)出指令及完成解鎖動(dòng)作，能有效降低汽車碰撞后保險(xiǎn)帶無法人為按動(dòng)解鎖逃生的概率。通過棘輪裝置及智能指令系統(tǒng)將碰撞事故智能分類，并對(duì)是否自解鎖做出智能判斷，進(jìn)而完成保險(xiǎn)帶的自解鎖。

4 結(jié)論及展望

在發(fā)生汽車交通事故時(shí)，安全帶對(duì)乘客和司機(jī)的生命安全起到了重要的保護(hù)作用。但安全帶扣鎖在汽車車身內(nèi)部發(fā)生事故后，該部位發(fā)生嚴(yán)重?fù)p壞導(dǎo)致安全帶卡死造成車內(nèi)人員不能及時(shí)逃生，這對(duì)汽車安全帶的鎖止系統(tǒng)提出了更高的要求。為了保證駕駛員及乘客的生命安全，汽車安全帶的設(shè)計(jì)開發(fā)不僅要考慮安全帶的成本，還要研究安全帶的材料以及固定位置。結(jié)合汽車應(yīng)急預(yù)警響應(yīng)各方面的實(shí)際問題，將汽車安全帶的制造成本控制在合理范圍內(nèi)。結(jié)合現(xiàn)有的國內(nèi)外企業(yè)及機(jī)構(gòu)對(duì)安全帶設(shè)計(jì)和優(yōu)化方面的研究，筆者認(rèn)為對(duì)安全帶的研究不應(yīng)該局限于提醒結(jié)構(gòu)和鎖止機(jī)構(gòu)，在安全帶的扣鎖上也應(yīng)該進(jìn)行相應(yīng)的研究，在節(jié)省材料和空間的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)更加高效可靠的安全帶，為駕駛員與乘客的安全提供保障。