汽车安全带系统的新近进展

李娅楠，毛秀娟，周细应，乔宇

（上海工程技术大学材料工程学院，上海 201620）

0 前言

在汽车碰撞事故中，安全带系统是最重要的成员保护装置［1］。汽车安全带是将乘员约束在座椅上的安全装置，当事故发生时，限制乘员的位置，避免乘员与车体其他部位发生碰撞伤害，同时它的缓冲作用能吸收大量动能，降低事故对驾乘人员的伤害程度［2］。目前汽车安全带主要分为普通安全带、限力式安全带、预张紧限力式安全带、预卷式预张紧限力式安全带［3］。随着汽车安全碰撞性能的不断提高，安全带技术获得飞速的发展。安全带系统的技术已日趋于成熟，在满足安全性能的同时，人们对安全带系统的舒适性要求也越来越高。因而主被动安全系统的结合，智能化系统的运用成为未来安全带系统的一个发展方向。

1 安全带的作用及保护机理

安全带的主要作用在于事故发生时，将驾乘人员牢牢地拴在座椅上，防止二次碰撞，避免造成人员与车体其他部位的碰撞伤害，同时它的缓冲作用能吸收大量的动能，降低事故对驾乘人员的伤害程度［2］。

在典型的安全带系统中，安全带与一个卷收器相连，卷收器中的核心元件是卷轴，它与安全带的一端相连。在卷收器内部，一个弹簧为卷轴提供旋转作用力 （或扭矩）。它会旋转卷轴，以便卷起任何松弛的安全带。当拉出安全带时，卷轴将逆时针旋转，并使相连的弹簧也沿相同方向旋转。这样，旋转的卷轴就反扭了弹簧。因为弹簧想要恢复到原状，因此它会抗拒这一扭转运动。若松开安全带，弹簧将收紧，并顺时针旋转卷轴，直至使安全带张紧。卷收器有一个锁定机构，可在汽车发生碰撞时停止卷轴的旋转。现有两种常用的锁定系统:由汽车运动触发的系统和由安全带运动触发的系统，如图1、2所示。

目前安全带多配有预紧器系统来收紧安全带，在发生碰撞时收紧安全带的松弛部分。一些较高级的安全带系统使用负载限力器来尽可能减少安全带造成的伤害。当有巨大的作用力施加到安全带上时，额外释放更多安全带。

2 安全带种类及其性能

安全带系统一般是由卷收器、织带及锁扣等组成。安全带主要靠织带的拉伸变形吸收能量，减缓二次碰撞的强度。安全带的区别主要在于卷收器，按卷收器的类型，可分为无锁式、自锁式、紧急锁止式、预紧式和限力式等几种［4］。目前市场上使用较多的安全带系统为普通安全带、限力式安全带、预紧限力式安全带、预卷式预紧限力式安全带。

2.1 普通安全带

普通安全带是在安全带锁止后通过安全带自身的变形来吸收人体的碰撞能量，降低胸部加速和胸部压缩量。由于普通安全带对人体胸部的保护效果有限，目前只在一些低价位乘用车和商用车当中使用［3］。安全带在预防致死性损伤的同时，其本身也可造成一定的损伤。刘宝松等［5］，探讨了轿车在碰撞过程中安全带的防护能力和致伤效应。研究表明，当碰撞车速达到44 km/h时，安全带本身即可导致严重的脏器损伤。随着碰撞车速的提高，安全带的致伤效应会更加突出，应配合其他防护装置共同使用，进一步提高安全带的防护性能。

2.2 限力式安全带

限力式安全带是在普通安全带卷束器中心安装一根限力杆，通过限力杆扭曲变形限制安全织带的增长，将织带控制在某一恒定范围内，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杆:卷收器恒力限力杆 （CLL）、卷收器递减限力杆 （DLL）、卷收器递增限力杆 （PLL）、卷收器智能式 （可转换型）限力杆 （SLL）、带扣锁限力杆、固定片限力杆。

Autoliv公司开发了安全带限力器，该限力器是由一根扭力杆制成的伸缩轴构成，当安全带承受的力超过一定的值后，该轴开始扭转，达到一定的扭力后，系统将释放一定的安全带［6］，该限力器系统与安全气囊共同作用，气囊可以吸收乘员身上剩余能量。Autoliv公司试验证明，使用安全带限力器可以降低一半头部受伤程度，同时有很高的胸部减速作用，如图3所示。

张学荣等［7］，通过正面碰撞模型，对比了不同的安全带限力器模型对乘员的保护效果。表明，带有限力器的安全带可以减轻乘员胸部载荷。释放一定量的安全带织物，使乘员继续向前运动，维持胸部载荷在限定的水平。充分发挥安全气囊的保护效果，并使头部的伤害值减小，如图4所示。

Gerhard等［8］发明了一种二级式限力式安全带。汽车发生碰撞时，限力器的扭杆扭转使安全带的受力限制在一个较低的水平。乘员的肩部在碰撞后的25 ms达到最大值，持续30～37 ms后肩部受力达到一恒定值约4.5～5 kN。

2.3 预紧限力式安全带

预张紧限力式安全带就是在限力式安全带上增加预紧器，是通过安全气囊ECU发出一个预紧点火信号，预紧器内的火药燃烧产生高压气体作为卷曲动力，消除安全带与人体之间的间隙，使乘员头部和胸部的加速度降低。根据预紧器所在的位置不同可分为:卷收器预紧器、带扣预紧器和带扣双预紧的双级预紧器。研究表明［7］，双级预紧器的非约束系统效率最高，能对安全带的肩带和腰带同时进行预紧。

唐波对安全带性能的研究表明［3］，普通安全带限力器的作用范围仅为95～110 mm，因此当限力轴扭曲到一定程度后其扭力出现衰退。对于限力式安全带，预紧器点火时刻控制在15～22 ms（超过40 ms后人体相对车体已经运动，预紧器失去了作用），预紧力控制在1.4 kN左右，预紧力维持持续时间12～14 ms;限力值控制在4 kN，限力器持续距离为110 mm。目前限力值分为3 kN、4 kN、5 kN 3个挡，如果超过5 kN就失去了限力的作用。

预紧限力式安全带，由于消除了安全带与人体之间的间隙，预紧器的效果非常好，预紧器的预紧力为1.4 kN，持续时间为20 ms。限力器的作用长度较短，仅为80 mm，需要作进一步的改进，将限力器的作用距离提高到100～110 mm。

2.4 预卷式预紧限力式安全带

预卷式预紧限力式安全带是在预张紧限力式安全带上增加了预卷电机系统，其工作原理是通过雷达装置感应车辆与前车的间距，如果间距小于某一设定值，其ECU发出信号控制电机运动，消除安全带与人体之间的空隙，并且提醒驾驶员紧急制动或者应急处理。该款安全带系统是未来安全带系统的发展趋势，其融合了主动安全和被动安全技术。可通过预卷器的定时收放安全带来提醒驾乘人员，其提醒效果远远高于声音控制及其他的提醒装置［9］。Autoliv公司的自适应式安全带限力器优点是控制时间非常短暂，且在撞车时系统仍然能够依据事故的严重程度作出调整限力器拉紧力的决定［7］。

3 汽车安全带系统的展望

汽车产业的发展促进安全性能的提高。其中安全带系统是保证汽车安全的最重要的装置之一。当前汽车安全系统的设计既要满足安全性的要求也要满足舒适性的要求［10］。有研究表明，舒适性的改进会提高佩戴率，从而挽救生命［11］。同时汽车座椅安全带针对前后排乘员的安全带设计也是不同的。福特最近推出一款气囊式安全带［12］，它的气囊能在碰撞发生的40 ms内在乘客的躯干和肩膀处展开。其舒适性等同于传统的安全带，从而提高了后排安全带的使用率。汽车安全系统辅以“智能”的调节系统为汽车的整车安全性的提高提供了潜能。汽车安全系统的智能化，主被动安全技术的结合是未来发展的一个趋势。通过碰撞传感技术，根据不同成员的体型及坐姿自动调节座椅的位置［13－15］，这项技术目前还处在起步阶段。安全带系统的各项参数的相互匹配以及提高安全带佩戴舒适的要求是安全带研发与制备工作者需要探讨的内容。

【1】Wood D P，Simms C K，Wash D G.Vehicle-Pedestrian Collision:Validated Models for Pedestrian Impact and Projection［J］.Proceedings of institution Mechanical Engineer，Part D:Journal of Automobile Engineer，2005.219:183 －195.

【2】胡美蓉.浅析被动安全系统之汽车安全带［J］.管理观察，2010（7）:213－214.

【3】唐波.汽车安全带的性能研究以及相关讨论［J］.汽车与配件，2011（14）:32－35.

【4】袁伟涛.汽车用安全带装置分类及工作原理［J］.工艺研究，2003（3）:25－26.

【5】刘宝松，王正国，杨志焕，等.高速碰撞时安全带的防护及致伤效应研究［J］.中华创伤杂志，2001，17（7）:420 －422.

【6】刘学军，陈晓东，苏清祖.正面碰撞安全带约束系统开发与试验验证［J］.汽车工程，2007，12（29）:1055 －1058.

【7】Gerhard Klingauf，Andress Maunz，Olive Glinka.Seat belt force limiter:US，6969089B2［P］.2005 －11 －29.

【8】魏培敏，闫新明.新型安全带提示装置的研制与开发［J］.汽车电器，2004（10）:8－10.

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【10】McCarthy R L.An Analysis of the Safety Related Impact of“Comfort Feature”Introduction in GM Vehicles［C］.SAE Papers，1989 －12－0021.

【11】王蒙.福特最新气囊式汽车安全带［J］.汽车维修，2010（3）:4－5.

【12】Aloke K Prased，Allison E Louden，Ron Pack.Evaluation of Frontal air Bag Performance［C］.19thEnhance Safety of Vehicles:Paper Number 05－0395.

【13】Aloke Prasad，Matthew Maltese，Allison Louden.Injury Risks from Advanced Air Bags in Frontal Static out-of-Position Tests［C］.The 18thEnhanced Safety of Vehicles:Paper Number 03－0427.

【14】Tokoro S，Kuroda K.Pre-crash Sensor for Pre-crash Safety［C］.The 18thEnhanced Safety of Vehicles:Paper Number 03－0545.

【15】张学荣，刘学军，苏清祖.正面碰撞不同身材乘员保护约束系统的设计［J］.汽车工程，2007，8（29）:669－672.