汽車安全帶的鎖定系統中的動力學原理

摘要：在過去多年中，安全帶已被證明是汽車和卡車中最重要的安全裝備。安全帶的設計理念非常簡單：當汽車突然停止時，安全帶會防止您由于慣性飛出擋風玻璃或撞向儀表板。本文通過對安全帶的鎖定系統中加重擺錘和加重擺桿受力和運動的論述，從動力學方面論述了卷收器在汽車發生碰撞時是如何鎖定轉動的問題。

關鍵詞：汽車安全帶；卷收器；鎖定系統；受力；運動

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148(2011)4(S)-0061-2

在過去多年中，安全帶已被證明是汽車和卡車中最重要的安全裝備。安全帶的設計理念非常簡單：當汽車突然停止時，安全帶會防止您由于慣性飛出擋風玻璃或撞向儀表板。當汽車突然停止時，乘客也會突然停止運動，安全帶的工作就是將這種緊急停止時產生的巨大的作用力擴散到身體比較強壯的部位上，以盡可能減少傷害。舒適的汽車安全帶能夠拉伸和收回--當安全帶拉緊時，您的身體可以輕松地前傾，但是在撞擊中，安全帶會突然收緊并將您緊緊固定好。

在典型的安全帶系統中，安全帶與一個卷收器相連。 卷收器中的核心元件是卷軸，它與安全帶的一端相連。 在卷收器內部，一個彈簧為卷軸提供旋轉作用力（或扭矩）。 它會旋轉卷軸，以便卷起任何松弛的安全帶。當您拉出安全帶時，卷軸將逆時針旋轉，并使相連的彈簧也沿相同方向旋轉。 這樣，旋轉的卷軸就反扭了彈簧。 因為彈簧想要恢復到原狀，因此它會抗拒這一扭轉運動。 如果您松開安全帶，彈簧將收緊，并順時針旋轉卷軸，直至使安全帶張緊。

卷收器有一個鎖定機構，可在汽車發生碰撞時停止卷軸的旋轉。 如今，有兩種常用的鎖定系統：

（1）由汽車運動觸發的系統

（2）由安全帶運動觸發的系統

第一種系統在汽車迅速減速（例如，當汽車撞上某物體）時鎖定卷軸。圖2是這種設計的示意圖。

這種機構中的核心元件是一個加重擺錘。當汽車突然停止時，慣性會導致擺錘向前擺動。 擺錘另一端的棘爪會抓住固定在卷軸上的一個帶齒棘輪。 由于棘爪卡住了其中一個輪齒，因而齒輪便無法逆時針旋轉，從而使與之相連的卷軸也無法旋轉。 當撞擊后再次松開安全帶時，齒輪會順時針旋轉，并與棘輪分開。

例題 如圖3(a)所示，木塊與小車一起向右做勻速直線運動，某時刻觀察到如圖3(b)所示的現象。由此可判斷（B）

A．小車突然加速運動

B．小車突然減速運動

C．小車保持勻速運動

D．小車可能做加速、也可能做減速運動

解析 對木塊受力分析：一個力是自身的重力，另一個力是小車給它提供的支持力，當汽車靜止或者勻速直線運動時加重擺錘所受合外力為零，當小車突然減速時，木塊的慣性會讓它還保持原來和汽車相同的速度，而汽車的速度已經減小，結果導致擺錘向前擺動。

第二種系統在猛拉安全帶時鎖定卷軸。 多數設計利用卷軸旋轉的速度作為激活動力。圖4-6中所示為一種常見配置方式。 圖 4圖 5圖 6

這種設計的核心元件是一個離心式離合器--一種安裝在旋轉卷軸上的加重擺桿。當卷軸緩慢旋轉時，擺桿并不擺動。一個彈簧使它保持在原來的位置。 但當猛拉安全帶時，卷軸將快速旋轉，離心力驅使擺桿的加重端向外擺動。伸長的擺桿會推動卷收器殼上的凸輪。 凸輪通過滑動銷與一個樞轉棘爪相連。當凸輪移到左側時，滑動銷會沿棘爪的槽口移動。 這會將棘爪拖入與卷軸相連的旋轉棘輪。 棘爪鎖入輪齒中，禁止逆時針旋轉。

做勻速圓周運動的物體，向心力就是物體所受的合外力，總是指向圓心。做變速圓周運動的物體，向心力只是物體所受合外力在沿著半徑方向上的一個分力，合外力的另一個分力沿著圓周的切線，使速度大小改變。如果沿半徑方向的合外力大于做圓周運動所需的向心力，物體將做向心運動，半徑將減小；如果沿半徑方向的合外力小于做圓周運動所需的向心力，物體將做離心運動，半徑將增大。

離心運動在日常生產生活的應用實例

（1）離心干燥器

（2）洗衣機的脫水筒

（3）用離心機把體溫計的水銀柱甩回玻璃泡內

（4）“棉花糖”的產生

例題 如圖7所示，用細繩一端系著的質量為M=0.6kg的物體A靜止在水平轉盤上，細繩另一端通過轉盤中心的光滑小孔O吊著質量為m=0.3kg的小球B，A的重心到O點的距離為0.2m。若A與轉盤間的最大靜摩擦力為f=2N，為使小球B保持靜止，求轉盤繞中心O旋轉的角速度ω的取值范圍。（取g=10m/s2）

解析 要使B靜止，A必須相對于轉盤靜止——具有與轉盤相同的角速度。A需要的向心力由繩拉力和靜摩擦力合成。角速度取最大值時，A有離心趨勢，靜摩擦力指向圓心O；角速度取最小值時，A有向心運動的趨勢，靜摩擦力背離圓心O。

對于B：T=mg

對于A： T+f=Mrω12

T-f=Mrω22

ω1=6.5rad/s，ω2=2.9rad/s

所以2.9rad/s≤ω≤6.5rad/s

(欄目編輯王柏廬)

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