汽車被動安全系統發展研究

龔 禹

華晨汽車工程研究院（沈陽 110000）

汽車被動安全系統發展研究

龔 禹

華晨汽車工程研究院（沈陽 110000）

隨著國內乘用車數量的增多，人們對汽車安全性能的要求也越來越高，本文通過對現今汽車安全帶系統的主要特殊功能，及工作原理的介紹，闡述了各種功能對乘員身體的保護能力，使廣大讀者能夠更深的認識到安全帶在汽車結構中的重要地位,同時說明MADYMO軟件在安全帶設計中的作用。

汽車安全帶系統 預緊功能 限力功能 KISI功能

安全帶自1885年首次出現并應用于馬車上開始，到1959年沃爾沃汽車公司發明三點式安全帶，直至今日，經歷了一個多世紀的發展，已成功挽救了無數人的生命，其主要的功能便是在汽車發生緊急碰撞或翻轉時，能將乘員牢牢地束縛在座椅上，避免乘員被甩出車外或發生二次碰撞，以保證乘員的生命安全。而三點式安全帶無疑是貢獻最大的，迄今為止，三點式安全帶仍是保障乘員生命安全最有效的裝置之一。隨著國內經濟高速的發展，汽車從奢侈品變得越來越大眾化。

相關資料顯示，2009年全國汽車數量為1379.5萬輛，比去年同比增長48.2%。私人汽車保有量5218萬輛，增長25%。民用轎車保有量3136萬輛，增長28.6%。私人轎車2605萬輛，增長33.8%。數據增長的同時，也帶來了安全方面的隱患，2009年全國道路交通事故23.8萬起，有6.8萬人死亡。排除那些不負責任的駕駛員，人們對于車輛的安全性越來越重視，對于汽車安全性能的要求也越來越高。自三點式安全帶創始至今的50多年里，隨著安全氣囊的發展，三點式安全帶也在逐步完善，除了基本的限制乘員自由行動的功能外，還增加了預張緊、限制力值及為了保障兒童乘員安全的兒童座椅固定功能KISI等特殊功能來增加安全性。

本文重點介紹現今比較普及的預張緊功能、限力功能及KISI功能。

為了配合安全氣囊充分打開，安全帶系統有了預張緊功能。安全帶的預張緊功能是在事故發生時，乘員身體還未有前傾動作時，預緊裝置及時收緊安全帶織帶，從而消除乘員與安全帶織帶之間的間隙，緊緊地將乘員束縛在座椅上，以保證安全氣囊充分打開的時間，使安全帶預緊器與氣囊同步作用于乘員，避免由于乘員過早接觸到未充分展開的氣囊而受到來自氣囊的傷害，同時通過在時間方面的高精度配合，進一步提高對乘員生命安全的保護效果。根據安全帶與車身的固定點，預緊裝置通常可以被應用到卷收器本體部分、帶扣鎖部分及端片部分。

卷收器本體部分是三點式安全帶主要組成部分，這一部分實現安全帶的拉出與卷收及其他一些特殊功能。包括對車輛加速度敏感而鎖止，對織帶加速度敏感而鎖止等等。隨著對車輛安全性能要求的提高，大部分汽車制造商將預張緊裝置與卷收器本體結合起來，這也是安全帶預張緊功能主要的實現方式，現階段大部分車型的預張緊功能均是由此種形式實現的。預緊裝置的主要實現方式則為鋼球式，主要原理是碰撞瞬間（根據車身結構及安全氣囊的配置）氣體發生器引爆，高壓氣體推動安裝在鋼管里的鋼球推動用來纏繞織帶拉出卷收的芯軸反轉，從而實現預張緊功能，達到保護乘員生命安全的目的。此外還有鋼帶及鋼絲結構的預緊形式，由于對預緊距離要求的提高及空間的限制，鋼帶及鋼絲結構的形式并不常見。

帶扣鎖部分的主要作用是通過與固定在安全帶織帶上的鎖舌配合，達到固定乘坐在座椅上乘員以及當乘員離開座椅時解除束縛的作用。由于帶扣鎖在工作時是與織帶連接的，因此，也可以將預緊裝置與帶扣鎖部分結合在一起而達到發生意外時收緊織帶的目的。使用在帶扣鎖上的預緊裝置通常為一根鋼管，內部有鋼絲與一活塞，發生事故時，以氣體發生器產生的氣體為驅動，推動活塞帶動鋼絲使帶扣鎖向座椅下部產生位移，從而拉緊織帶達到預緊的功能。

端片部分主要是用于固定安全帶織帶端，由于其與織帶相連接，因此，用于帶扣鎖部分的預緊裝置也可以用在端片上，工作原理與帶扣鎖部分相同。

以上三種形式雖然都可以配置預緊功能，但是每種結構形式有其自身的適用范圍。一般來說從經濟性及功能上來看，卷收器本體部分預緊具有安裝方便，占用空間小，能夠有效控制胸部位移等優點，一直被眾多汽車制造商使用，但是由于其功能實現較復雜，涉及零部件較多，對零部件加工精度，裝配工藝要求較高，對腹部位移的約束作用也有限，因此，可以根據情況（單獨或同時）配備帶扣鎖或端片位置的預緊器，以達到約束乘員的作用。而通過madymo軟件分別對無預緊安全帶，卷收器預緊安全帶，帶扣預緊安全帶及卷收器帶扣雙級預緊安全帶建立模型，通過仿真比較頭部與胸部加速度值，可以得出采用預緊器能夠有效降低頭部與胸部加速度的峰值，而鎖扣預緊對于降低傷害峰值更有效果，同時對于無預緊器模型的傷害值（頭部HIC36和胸部3 ms加速度）進行歸一化處理，得出采用預緊器能夠使HIC36和T3 ms降低15%～25%左右，而雙級預緊對于乘員保護有更高的效率，對于雙級預緊的配置以后還需更進一步的研究。

安全帶的限力功能是由限力裝置實現的，在碰撞過程中，由于安全帶要將乘員固定在座椅上以達到保護乘員的目的，因此，對安全帶織帶要求有足夠的強度以及很低的延伸率（國標、美標、歐標相應的標準不同），相當于在安全帶織帶受拉過程中，織帶是剛性的，因此與織帶接觸的胸部也承受了很大的壓力，這樣往往會造成乘員的傷害甚至死亡。于是，為了限制胸部承受的力值，便將限力裝置應用于安全帶系統上。安全帶限力器是一種吸能裝置，通常為金屬桿狀，大多安裝在安全帶卷收器中，當織帶承受的力大于某個值時（力值根據車身系統配置及氣囊來進行計算，力值越小胸部前移量則越大）限力器開始作用，吸收能量，并放出織帶，以減少乘員胸部受到的傷害，并配合氣囊的及時打開達到保護乘員生命安全的作用。為了更好地與氣囊配合，國外先進安全帶制造商研制了一種雙級限力結構，它有兩個限力器組成，碰撞初期兩個限力裝置一起作用，以保證胸部在承受某一固定力值時不會因前移量過大而過早接觸安全氣囊，隨后其中一個限力裝置脫開以緩解胸部壓力，有效地控制了胸部的傷害值。

通過madymo軟件，分別建立限力值為3.5 kN、4.5 kN及5.5 kN的數學模型，為了便于比較，將乘員運動的空間設置為無限，再對各種限力值下胸部3 ms加速度及胸位移進行對比，當乘員安全空間足夠時，限力值越低，對乘員保護能力越高，但由于實際整車環境對乘員空間的影響，人體的運動是受生存空間限制的，因此具體的限力值還要根據整車的參數來進行匹配。

由于兒童乘員是一個特殊的乘員群體，因此，普通的汽車座椅及安全帶系統并不適用于兒童乘員群體，為此特制的兒童座椅問世了，隨之而來的，對于安全帶系統的功能也有了更進一步的要求，這種要求便是安全帶系統能夠將兒童座椅牢牢的固定住，而不允許其有任何的位移，KISI功能便是通過一種特殊裝置來達到這種功能的。當安全帶織帶拉出到一定位置時，KISI功能便啟動，這時織帶不再能夠拉出，只能夠回收，從而達到了固定兒童座椅的功能。

[1]2009中華人民共和國道路交通事故統計年報.公安部交通管理局,2010.

文婷）