汽車安全帶技術(shù)研究

王新華 吳海臣 李寧 李振興 李文中

吉利汽車研究院（寧波）有限公司 浙江省寧波市 315336

1 引言

在人們?nèi)粘３鲂羞x擇的交通工具中，汽車是最常用、最方便的出行工具。經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的今天，私家車越來越普及，已經(jīng)成為大多數(shù)家庭日常出行不可缺少的工具，家用汽車在中國普通家庭的普及率也越來越高，有的家庭甚至有了第二輛車、第三輛車。

但是隨著汽車保有量的不斷攀升，也帶來了其它問題，如汽車尾氣排放導(dǎo)致環(huán)境污染、道路擁堵嚴(yán)重、停車難等等問題。當(dāng)然，最重要的是交通事故發(fā)生的頻率也隨之攀升。在所有的交通事故中，汽車交通事故產(chǎn)生的傷害是最嚴(yán)重的。世界各國政府現(xiàn)在已將治理汽車交通事故傷害問題列為重要內(nèi)容。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，大約有120 萬人每年死于交通事故會(huì)，4000 萬以上在事故中受傷或致殘。這不僅給家庭帶來了情感傷害和財(cái)產(chǎn)嚴(yán)重?fù)p失，同時(shí)也給國民生產(chǎn)總值帶來了不小的損失。

隨著人們安全意識(shí)的提升，用戶在選購家用汽車時(shí)，不僅對(duì)外觀、空間、節(jié)能等方面進(jìn)行考慮，同時(shí)對(duì)汽車安全性的考查已經(jīng)成為選購車型的重要參考依據(jù)。

安全帶是保護(hù)駕駛員及乘員出行安全的最簡單、最有效的被動(dòng)安全系統(tǒng)。隨著汽車技術(shù)的發(fā)展，安全系統(tǒng)將越來越完善、智能化，安全帶新技術(shù)將成為提升汽車安全性的有力支撐。

2 汽車安全法規(guī)

全球汽車法規(guī)體系包括美國的FMVSS，歐盟EEC、ECE，日本TRIAS。我國汽車安全法規(guī)來源于歐盟法規(guī)體系。

圖1 汽車安全法規(guī)體系

我國現(xiàn)有的安全法規(guī)主要包括：正面碰撞的乘員保護(hù)、側(cè)面碰撞乘員保護(hù)、后碰燃油系統(tǒng)安全要求。同時(shí)在安全氣囊模塊、行人保護(hù)等方面也有相關(guān)的法律法規(guī)。隨著法規(guī)的不斷完善，汽車安全技術(shù)也在法規(guī)的推動(dòng)下隨之不斷發(fā)展、完善和提升。

3 安全帶發(fā)展歷史

關(guān)于安全帶的起源，有多種不同的說法。被人們較為普遍認(rèn)可的是在1885 年的馬車上首次使用安全帶。1902 年在美國紐約舉行的汽車競技賽上，首次出現(xiàn)了安全帶裝置。上世紀(jì)50 年代，別克汽車第一次將安全帶作為標(biāo)配使用在車身上。隨后美國推出強(qiáng)制性法規(guī)，強(qiáng)制在汽車上使用安全帶，這大大促進(jìn)了安全帶的普及，也為人們使用汽車增加了更高的安全系數(shù)。

4 安全帶用途

汽車安全系統(tǒng)分為主動(dòng)安全系統(tǒng)和被動(dòng)安全系統(tǒng)。

主動(dòng)安全系統(tǒng)能夠有效防止車輛在行使中發(fā)生意外，包括主動(dòng)剎車系統(tǒng)、車道偏離提醒系統(tǒng)、ACC 自適應(yīng)巡航系統(tǒng)等。

當(dāng)車輛發(fā)生碰撞時(shí)，被動(dòng)安全系統(tǒng)能夠有效降低乘員因車內(nèi)物體的碰撞帶來的傷害。被動(dòng)安全系統(tǒng)包括安全帶、安全氣囊等裝置，在內(nèi)飾零件上還會(huì)采用吸能的材料，在發(fā)生碰撞時(shí)乘員與內(nèi)飾發(fā)生的二次碰撞的傷害減到最小。安全氣囊會(huì)在碰撞時(shí)彈出以避免乘員與車內(nèi)物體發(fā)生二次碰撞。

被動(dòng)安全系統(tǒng)在碰撞中與乘員產(chǎn)生作用，直接影響到乘員受到傷害的程度，是提高汽車被動(dòng)安全性能的關(guān)鍵所在。

圖2 安全氣囊

圖3 安全帶和氣囊對(duì)乘員的保護(hù)

5 安全帶的基本工作原理

當(dāng)車輛發(fā)生碰撞時(shí)，安全帶中的加速度傳感器會(huì)探測(cè)到織帶快速拉出，人體在慣性的作用下會(huì)向前沖出。此時(shí)，安全帶感應(yīng)到加速度會(huì)立即觸發(fā)鎖止機(jī)構(gòu)，從而讓織帶無法繼續(xù)拉出，起到防止乘員繼續(xù)向前沖出而發(fā)生車內(nèi)二次碰撞的情況發(fā)生。

當(dāng)車輛發(fā)生側(cè)翻，車體傾斜角度達(dá)到27°時(shí)，安全帶必須鎖止，此時(shí)也能有效保護(hù)乘員的安全。

6 安全帶的結(jié)構(gòu)

安全帶一般來說包括預(yù)緊器、織帶、高度調(diào)節(jié)器、PLP 預(yù)緊裝置、卷收器、鎖扣、高度調(diào)節(jié)器等。下面就主要結(jié)構(gòu)做簡要介紹：

6.1 高度調(diào)節(jié)器

安全帶高度調(diào)節(jié)器是為滿足不同身高、體重的顧客乘坐的需要，調(diào)整安全帶上安裝點(diǎn)的高度，這樣乘客使用安全帶能更加舒適。更重要的是，高度調(diào)節(jié)器可避免安全帶系不到位造成脫落，如脫落則無法起到保護(hù)乘員的作用。

圖4 安全帶佩戴的正確位置

6.2 鎖扣

當(dāng)鎖舌插入時(shí)，鎖扣將其鎖住，形成固定點(diǎn)?，F(xiàn)在很多車上都有安全帶提醒裝置，其功能一部分來自座墊下的重量傳感器，一部分來自鎖舌。當(dāng)乘客坐到座椅上時(shí)，身體的重量會(huì)傳輸?shù)街亓總鞲衅魃?，傳感器?huì)感知有乘客坐在座位上。同時(shí)，鎖舌如果沒有扣入鎖扣，其電路沒有形成通路，信號(hào)就會(huì)傳遞給行車電腦，提醒裝置發(fā)出聲音提醒顧客系好安全帶。

圖5 鎖扣

6.3 卷收器和PLP 預(yù)緊裝置

卷收器一般包括框架、織帶、角度感應(yīng)器、加速度感應(yīng)器、鎖止機(jī)構(gòu)等。

卷收器基本功能是鎖止。當(dāng)發(fā)生碰撞時(shí)，人體會(huì)快速往前沖，同時(shí)織帶也會(huì)快速拉出，此時(shí)，織帶受到一個(gè)加速度會(huì)立即鎖止，從而避免人體繼續(xù)前沖。

圖6 卷收器

在卷收器中，可以增加預(yù)鎖緊裝置。碰撞時(shí)，預(yù)緊器點(diǎn)爆，通過安全帶里面的機(jī)構(gòu)將織帶回卷，把人的胸部拉回座椅，降低碰撞帶來的傷害。

卷收器中還可增加扭力桿，在織帶勒緊人體的時(shí)候，起到緩沖作用，從而使人會(huì)舒適一些。車輛發(fā)生碰撞時(shí)，織帶開始鎖止，扭力桿其中一端固定不動(dòng)，另外一端將會(huì)塑性旋轉(zhuǎn)，從而吸收掉一部分人承受來自織帶的壓力，形成一段緩沖，人就會(huì)感覺舒適一些。還有的安全帶安裝兩個(gè)扭力桿，人體感受就更舒適一些。

圖7 預(yù)鎖緊裝置

圖8 扭力桿

PLP 是腿部預(yù)緊裝置。發(fā)生碰撞時(shí)，通過點(diǎn)火引爆，產(chǎn)生高壓氣體推動(dòng)管里的活塞，拉動(dòng)鋼絲繩，把連接織帶的機(jī)構(gòu)收緊，將乘員的臀部和腿部拉回座椅。

圖9 PLP 裝置

6.4 PPMI

主動(dòng)預(yù)緊式安全帶。帶有ECU 的電機(jī)連接安全帶內(nèi)部，根據(jù)各種工況控制織帶的拉出、回收。帶有PPMI 的安全帶由于有ECU，需要參與整車的標(biāo)定和調(diào)教，成本較高。這種安全帶會(huì)根據(jù)乘客的身型自動(dòng)收緊，在車輛行使過程中，安全帶會(huì)隨著制動(dòng)踏板收緊將乘客拉回座位。這種安全帶由于受到成本限制，一般會(huì)用在豪華車型上。

7 安全帶分類

按固定方式分類，可分為如下四種：

①腰帶式

又叫兩點(diǎn)式安全帶。此種安全帶可以防止乘員被甩出車外，但軀干上部有可能與車內(nèi)物體產(chǎn)生二次碰撞。目前兩點(diǎn)式安全帶在飛機(jī)上廣泛使用。

②肩帶式

與腰帶式不同，此種安全帶在汽車發(fā)生碰撞時(shí)，容易使乘員下半身向前方?jīng)_出，因而對(duì)人體的保護(hù)還不是特別理想。

③三點(diǎn)式

在汽車上應(yīng)用廣泛。由腰帶和肩帶組成，可以有效保護(hù)乘員防止其沖出座位。其中第一點(diǎn)卷首器安裝在B 柱內(nèi)板與側(cè)圍外板之間的下端腔體里，第二點(diǎn)安裝在B柱內(nèi)板上端，第三點(diǎn)為鎖扣，使用時(shí)鎖舌扣合到鎖扣處扣好。

④全背式

由兩條肩帶和一條腰帶組成，此種安全帶保護(hù)乘員性能良好，但由于對(duì)人體的約束較多，會(huì)給乘坐者帶來過于緊繃的不舒服的體驗(yàn)。一般在賽車上使用，可以更好地保護(hù)賽車手的安全。

圖10

按功能分類，可分為普通式、限力式、預(yù)鎖緊式。

①普通式

由于結(jié)構(gòu)限制，對(duì)人體的保護(hù)效果非常有限，一些價(jià)格比較低的小汽車和商務(wù)車會(huì)采用此種安全帶。

②限力式

在普通式基礎(chǔ)上，在卷收器中增加了限力桿，當(dāng)車輛收到外界沖擊，安全帶承受的力超過某一值時(shí)，限力桿會(huì)產(chǎn)生扭曲變形限制織帶的拉長，它將作用在安全帶上的力，限制在設(shè)定的某一定范圍內(nèi)，降低胸部加速度和胸部位移量，從而可以緩解安全帶給乘員胸部帶來的沖擊。中低端乘用車會(huì)采用此種安全帶。

使用安全帶限力器可降低頭部的一半傷害。

表1 胸部減速曲線

③預(yù)鎖緊式

此種安全帶，相對(duì)限力式又有了升級(jí)，增加了預(yù)鎖緊裝置。車輛發(fā)生碰撞時(shí)，安全氣囊ECU 會(huì)發(fā)出點(diǎn)火信號(hào)，預(yù)緊器內(nèi)的火藥燃燒產(chǎn)生高壓氣體作為織帶收緊動(dòng)力，減少織帶的松弛量，消除織帶與人體間隙。預(yù)鎖緊裝置會(huì)收緊織帶，從而使乘員盡量靠近座椅靠背，降低人體頭部和胸部的加速度，達(dá)到保護(hù)人體的目的。中高檔轎車中目前廣泛采用此種安全帶。奧托立夫的自適應(yīng)安全帶限力器，控制時(shí)間短，在碰撞時(shí)，可根據(jù)事故的嚴(yán)重程度調(diào)整限力器拉緊力。

④預(yù)卷+自適應(yīng)限力式

在預(yù)鎖緊式基礎(chǔ)上增加了預(yù)卷電機(jī)系統(tǒng)。通過車輛的雷達(dá)系統(tǒng)感知車輛與前車間距，當(dāng)這個(gè)距離小于預(yù)先設(shè)定的范圍時(shí)，安全帶ECU 發(fā)出信號(hào)控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)，消除織帶與乘員間的間隙，并且，提醒裝置會(huì)提醒駕駛員緊急制動(dòng)來保證乘員安全。

8 結(jié)論

為最大限度地降低交通事故帶來的損失，我國近些年來通過不斷完善、提升安全相關(guān)的法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)來盡可能地避免交通事故的發(fā)生。各大車企也紛紛加大安全性能的研發(fā)投入，確保汽車的安全性能。

安全帶是保證汽車安全的最重要的裝置之一。相信未來汽車安全帶會(huì)有更加安全、有效、智能、舒適的技術(shù)推出，為保護(hù)乘客的安全發(fā)揮更大更強(qiáng)的作用。