汽车安全带的进化史

陈富国

【中图分类号】U46 【文献标识码】A

【文章编号】2095-3089（2018）15-0253-02

自1886年卡尔·本茨先生制造了世界上第一辆汽车并成功申请专利，汽车由此进入了人类的生活，并深刻的影响了世界的发展方向，使人类追求速度的脚步又向前迈出了一大步。但是，科学是一把双刃剑，随着物体移动速度的增加，随之而来的就是发生事故的危险的增加。因此，人们在不断追求更高的速度的同时，也开始思考如何在发生碰撞时更好的保护车内的乘客。

关于乘坐汽车，大家最熟悉的安全措施大概就是系安全带了。目前世界上绝大多数的国家都在法律上明确规定了乘坐汽车必须要系安全带，法律上对安全带的使用规定甚至比对安全气囊的还要严格。那么这根带子有什么过人之处，使各国都立法强制要求所有的汽车上都安装、使用安全带，安全带是如何诞生的，又经历了哪些变化和发展呢？

汽车在诞生之初，座椅和家里的凳子差不多，好一些的就是个沙发，在发生事故时对人的保护能力十分有限。

我们知道，物体由于运动而具有的能量叫做动能，其表达式为E=（mv2）/2。目前根据我们国家的法律法规，当我们在高速路上平稳行驶的时候，最高速度可以达到120km/h，暨只需3秒钟的时间，就移动了100米，相当于从约57米的高处落下的速度。即使按照《中国新车评价规程》暨C-NCAP的四项碰撞测试中要求最低的50km/h的速度测试碰撞，也达到13.9m/s，相当于从约四层楼10米高的距离自由落下。对人来说，这是相当快的一个速度了，一旦发生碰撞，必定会对人体造成很大的伤害。那么在碰撞中如何才是最好的保护乘客的措施呢？答案就是把乘客尽量固定在座椅上。

由牛顿第一定律我们知道，任何有质量的物体都有惯性。当车辆发生碰撞，车体受到一个很大的撞击力，速度很快的减下来，甚至停了下来，而我们的身体由于惯性，还保持刚才的速度继续向前运动，就会与方向盘或者仪表台、玻璃窗等发生碰撞。如果这时乘客系好了安全带，安全带就会提供一个足够大的力，使人也跟着一起减速下来，从而避免了和其他物体的硬性碰撞。

1885年纽约的Edward J. Claghorn将英国工程师George Cayley的发明抢先注册为自己的专利，世界上第一個有关安全带的专利诞生。当时只是“通过钩子和其他装置将人安全固定在物体上”的“游客安全带”，这样的描述我们甚至很难想象它的设计细节。

1902年纽约的一场汽车竞赛上发生车祸，造成两人死亡，数十人受伤。但是在这场车祸中，车手却死里逃生，原因是他在比赛前用几根皮带将自己和同伴绑在了座位上，他的初衷有可能只是想在激烈的比赛中固定好自己，以免在急速转弯时被甩来甩去，方便操作车辆。这几根皮带就是汽车安全带的雏形，它的首次使用就挽救了两位车手的性命，也让人们意识到了安全带的重要性。

1911年，美国军人Benjamin Foulois在一架飞机上安装了安全带，但他的目的并不是出于安全考虑，而是为了在颠簸的跑道上起飞或者降落时让身体不那么晃动，从而更好的操控飞机。

这个时期出现的一些初期安全带的固定点主要是在下腹部两侧，横跨髋部的两点式安全带，就是一根“安全腰带”。

在20世纪中，美国等的一些汽车公司开始提供这样的安全带作为可选配置，比如纳什公司在1949年，福特公司在1955年开始为一些车型提供安全带选装件，瑞典的Saab公司则在1958年将两点式安全带作为了汽车的标准配置装配在了Saab 93GT750型车上，使这款车成为世界上第一款标配了安全带的车型。时至今日，我们仍可以在部分车型的第二排中间位置、大巴、飞机等见到两点式安全带的使用。

两点式安全带比没有安全带要安全的多，但是大家还是很快发现这样的设计是无法对人体的上半身进行有效约束的，人的躯干和头、颈部仍然会在碰撞时由于惯性向前运动，从而发生碰撞导致受伤。所以三点式安全带诞生了。其实早在1951年，就有两位美国前飞行员为一种三点式安全带申请了专利，他们设计了一种Y形的三点式安全带，并将斜挂带的扣接点置于座后-几乎就在乘员的身后。这种安全带与一个放在腹部上的扣环相连，叫做组合式肩-腰安全带，并申请了专利。

〖TP90.JPG；%45%45，Y〗影响深远的汽车使用三点式安全带是沃尔沃（Volvo）工程师Nils Bohlin于1959年发明。他在任职沃尔沃公司之前，曾在瑞典航空工业负责设计飞行员座椅弹射器，对在极端条件下如何保障生命安全有着深刻的认识和研究。此前沃尔沃公司已经把一种斜带式两点安全带安装在了汽车的前排座上，但是效果并不完美，在极端情况下，乘客容易从安全带侧面滑出从而导致危险。尼尔斯的发明从人体生理学的角度看是很理想的位置，从肩部斜跨到腰部，再横向的跨过人体下腹部。如图所示，对乘客来说，就是在人的左肩或右肩以及左右胯部各有一个固定点，所以〖TP91.JPG；%45%45，Y〗叫三点式安全带。一直到现在，汽车上的安全带依然使用着这样的基本架构。更伟大的是沃尔沃公司及尼尔斯个人在拥有了三点式安全带的专利后，并没有依赖这项重要的发明牟利，而是把它分享给了全世界，任何汽车厂商都可以免费使用这项专利，这一做法赢得了全球的赞誉。

初期的三点式安全带长度不能改变，很明显我们无法用一根固定长度的带子适应不同体型的乘客，并且如果这根带子在平常开车的时候也一直紧紧勒着我们的身体，会让我们很不舒服（这也是少部分人拒绝乘车系安全带的原因，当然这样做是对自己和他人极不负责任的做法），因此，工程师们开始考虑这个问题。1968年，三点式安全带出现了大的改进，先是安全带的一头出现了一个带弹簧的转芯，使安全带使用时可以调节长度，之后逐步演化成了现在的安全带卷收器。我们现在在乘坐汽车使用安全带时都知道，缓慢移动身体时，安全带是可以随着我们的身体移动而伸长的，但是当你快速移动时，安全带就会突然“卡死”。这就是卷收器在工作。它虽然默默的埋藏在B柱或C柱的内部，但是它的工作非常重要。一是使安全带使用时不需要人为的调节长度，由内部的预紧弹簧来提供收紧织带的力矩来进行调整。二是在突然发生碰撞时，及时制止了安全带的伸长，阻止了人由于惯性向前冲。这里列举一种卷收器内部结构。图中，车辆平稳行驶或者减速较缓时，重块及与重〖TP92.JPG；%40%40，Y〗块相连的限位块不与棘轮接触，转芯可以自由转动；而当发生碰撞或者是急减速时，由于惯性作用，重块向前摆动，带动限位块向上翘起，阻止了棘轮的转动，从而限制了安全带的伸长，使我们感觉被“卡住”了。除此之外，各国工程师们设计了不同种类的卷收器，虽然内部构造不同，但是它们要做的工作都差不多。

接下来还有新的问题。如果卷收器外的安全带过长，比如冬天人们穿的衣服较多较厚，或者是人们为了活动自由一些而将安全带拉出来较多，那么碰撞发生时虽然卷收器停止释放安全带，但是人体距离安全带还是有一定距离的，等到人体结实的部位，比如胸部、肋部，由于惯性向前“冲”到安全带的位置并与之碰撞，这时候很可能是人体承受不了安全带突然施加给人体的力而导致受伤。

〖TP93.JPG；%40%40，Y〗该怎么办呢？这里要用到高中物理学过的动量定理来看看工程师们能做什么。Ft=mvt-mv0，这是动量定理的表达式。如果乘客质量为75kg，车辆运行速度为50km/h（13.9m/s），那么人体的动量就是1042.5kgm/s。我们用一个F-t图像来表示，就是右边这个图。图中1线是一般碰撞时人体受力随时间变化曲线，图像所围的面积就是人体的动量。要让人体停下来，即动量减为零，等式的右边不是工程师可控的，即图像的面积大小是不可变的，可以做的工作就是尽量的延长碰撞发生的时间t，或者及早让人体受到约束力，从而减小人体受到的作用力F的峰值，至少降到人体能够承受的范围内。

正是出于图像中1线的实际碰撞和2线的理想碰撞初段的巨大差别，工程师们想到的办法是在碰撞发生瞬间安全带立刻收缩，及时的把人体约束在座椅上，使安全带在碰撞发生的初期就开始对人体施加向后的作用力，像2线一样及早的开始上扬，及早的开始使人体减速，才能得到峰值足够小的理想的2线。这个装置叫预紧器，也叫预缩器。对于三点式安全带，固定点只有三个，所以预紧器无外乎三种：卷收器预紧器，卡扣预紧器，锚点预紧器。其中卷收器预紧器中一种比较常见的叫“爆燃式预紧器”，如右图所示。箭头所指的柱状部分是炸药，之所以选择炸药是因为它可以在毫秒级别〖TP94.JPG；%40%40，Y〗时间内就做出反应。爆炸后推动前方的钢珠运动，再推动棘轮转动，从而将安全带收紧。除了使用炸药外，也有使用电机带动转轮的，优点的可以重复使用，缺点是成本较大，对电机的要求较高。

当然这个2线毕竟是理想化的曲线，是工程师们追求做到的，实际碰撞中很可能是如图中的3线。在爆燃式预紧器的作用下，安全带较早的收紧作用在人体上。但是仍难以保证每次碰撞的峰值不会超过人体能承受的最大值，这时仍会对人体造成伤害。于是，限力器出现了。一般是通过卷收机构上设计一根可变形的金属轴心来实现的，拉力达到一定程度后，这根轴心发生塑性形变，对拉力进行〖TP95.JPG；%40%40，Y〗“封顶”，这个变形同时还能多“吐出”一些安全带来延长作用时间，并且工程师是可以控制“封顶”力的值的。这样就可以得到如图中4线一样较为理想的曲线了。

聪明的工程师们没有就此停止研究。通过更细致的研究发现，不同的乘客高矮胖瘦都不一样，一位45kg的女士和一位90kg的壮汉体型相差悬殊，承受力也不一样。如果使用相同力值的限力器，必会〖TP96.JPG；%40%40，Y〗顾此失彼，影响设计预期。于是自适应限力器面世了。它可以根据使用者的具体体型进行限力的调整。它需要一些配合才能很好的工作，比如通过座椅上的体重传感器读取乘客的体重信息等。

脚步并未停止！汽车工程师们经过仔细的研究人体物理承压极限后，有了惊人的发现：在碰撞的初期，人体可以承受较大的峰值力而不受伤，如果该力值持续下去，才会导致骨折。于是就有疯狂的工程师开始尝试让限力器在初始阶段保持一个较大的、人体可承受的峰值，一小段时间后，在人体即将不能承受时再把峰值降下来。这就是两段式限力预紧器。如图中的5线。

工程师还曾对不同年龄的乘客骨骼强度做了研究，一个20多岁的年轻人肯定和一个60多岁的老人家不能使用同一个限力峰值。而目前几乎所有的限力器还是基于50%受众体的男性標准人体参数进行设计的，对一些边缘人群还是考虑不足。于是有人提出了电控限力的概念。这个装置可以手动输入或结合人脸识别系统进行更精准的识别，根据驾驶员和乘客的具体情况来调整限力参数，以提供更佳的预防措施。

最后再说两点：第一，前面所说的各种发明好像都发生在卷收器，其实工程师们在锚点、卡扣等位置也做了很多的文章，比如类似爆燃式卷收器的“爆燃式锚点预紧器”，也是利用炸药的爆炸在碰撞初期使锚点部位的安全带适量收缩，达到预收紧的作用。第二，即使在看起来很不起眼的卡扣位置，也大有文章可做。工程师们发现，某些情况下安全带在卡扣两边会出现一边较紧，一边较松。当碰撞发生时，较紧的一边会从卡扣处从另一边抽〖LL〗一部分安全带过来，而碰撞时安全带过紧可不是好事，尤其是人体上躯干部位。由此就有了“动态锁舌卡扣”（Dynamic Locking Tongue，简称DL〖TP97.JPG；%40%40，Y〗T）。它相当于一个袖珍凸轮轴，在正常情况下，安全带可以在卡扣上顺滑移动，一旦在发生碰撞，安全带上的张力增加（普遍峰值是5kg时），这个锁舌就会发生翻转，把织带牢牢卡住，织带就再也无法通过卡扣滑动了。这样安全带横跨髋部的部分就不会从横跨胸部的部分抽取一些过来，避免了胸部受到更大的勒挤，导致胸部受伤，极端情况下可以避免乘客从安全带下面滑出，造成保护失效。

安全带，一根带子，三个固定点，无数的工程师绞尽脑汁在这小小方寸间为保障乘客的生命安全、减小受到伤害的程度而努力，我们需要做的，就是上车，请系好安全带。