汽车被动安全系统发展研究

龚 禹

华晨汽车工程研究院（沈阳 110000）

汽车被动安全系统发展研究

龚 禹

华晨汽车工程研究院（沈阳 110000）

随着国内乘用车数量的增多，人们对汽车安全性能的要求也越来越高，本文通过对现今汽车安全带系统的主要特殊功能，及工作原理的介绍，阐述了各种功能对乘员身体的保护能力，使广大读者能够更深的认识到安全带在汽车结构中的重要地位,同时说明MADYMO软件在安全带设计中的作用。

汽车安全带系统 预紧功能 限力功能 KISI功能

安全带自1885年首次出现并应用于马车上开始，到1959年沃尔沃汽车公司发明三点式安全带，直至今日，经历了一个多世纪的发展，已成功挽救了无数人的生命，其主要的功能便是在汽车发生紧急碰撞或翻转时，能将乘员牢牢地束缚在座椅上，避免乘员被甩出车外或发生二次碰撞，以保证乘员的生命安全。而三点式安全带无疑是贡献最大的，迄今为止，三点式安全带仍是保障乘员生命安全最有效的装置之一。随着国内经济高速的发展，汽车从奢侈品变得越来越大众化。

相关资料显示，2009年全国汽车数量为1379.5万辆，比去年同比增长48.2%。私人汽车保有量5218万辆，增长25%。民用轿车保有量3136万辆，增长28.6%。私人轿车2605万辆，增长33.8%。数据增长的同时，也带来了安全方面的隐患，2009年全国道路交通事故23.8万起，有6.8万人死亡。排除那些不负责任的驾驶员，人们对于车辆的安全性越来越重视，对于汽车安全性能的要求也越来越高。自三点式安全带创始至今的50多年里，随着安全气囊的发展，三点式安全带也在逐步完善，除了基本的限制乘员自由行动的功能外，还增加了预张紧、限制力值及为了保障儿童乘员安全的儿童座椅固定功能KISI等特殊功能来增加安全性。

本文重点介绍现今比较普及的预张紧功能、限力功能及KISI功能。

为了配合安全气囊充分打开，安全带系统有了预张紧功能。安全带的预张紧功能是在事故发生时，乘员身体还未有前倾动作时，预紧装置及时收紧安全带织带，从而消除乘员与安全带织带之间的间隙，紧紧地将乘员束缚在座椅上，以保证安全气囊充分打开的时间，使安全带预紧器与气囊同步作用于乘员，避免由于乘员过早接触到未充分展开的气囊而受到来自气囊的伤害，同时通过在时间方面的高精度配合，进一步提高对乘员生命安全的保护效果。根据安全带与车身的固定点，预紧装置通常可以被应用到卷收器本体部分、带扣锁部分及端片部分。

卷收器本体部分是三点式安全带主要组成部分，这一部分实现安全带的拉出与卷收及其他一些特殊功能。包括对车辆加速度敏感而锁止，对织带加速度敏感而锁止等等。随着对车辆安全性能要求的提高，大部分汽车制造商将预张紧装置与卷收器本体结合起来，这也是安全带预张紧功能主要的实现方式，现阶段大部分车型的预张紧功能均是由此种形式实现的。预紧装置的主要实现方式则为钢球式，主要原理是碰撞瞬间（根据车身结构及安全气囊的配置）气体发生器引爆，高压气体推动安装在钢管里的钢球推动用来缠绕织带拉出卷收的芯轴反转，从而实现预张紧功能，达到保护乘员生命安全的目的。此外还有钢带及钢丝结构的预紧形式，由于对预紧距离要求的提高及空间的限制，钢带及钢丝结构的形式并不常见。

带扣锁部分的主要作用是通过与固定在安全带织带上的锁舌配合，达到固定乘坐在座椅上乘员以及当乘员离开座椅时解除束缚的作用。由于带扣锁在工作时是与织带连接的，因此，也可以将预紧装置与带扣锁部分结合在一起而达到发生意外时收紧织带的目的。使用在带扣锁上的预紧装置通常为一根钢管，内部有钢丝与一活塞，发生事故时，以气体发生器产生的气体为驱动，推动活塞带动钢丝使带扣锁向座椅下部产生位移，从而拉紧织带达到预紧的功能。

端片部分主要是用于固定安全带织带端，由于其与织带相连接，因此，用于带扣锁部分的预紧装置也可以用在端片上，工作原理与带扣锁部分相同。

以上三种形式虽然都可以配置预紧功能，但是每种结构形式有其自身的适用范围。一般来说从经济性及功能上来看，卷收器本体部分预紧具有安装方便，占用空间小，能够有效控制胸部位移等优点，一直被众多汽车制造商使用，但是由于其功能实现较复杂，涉及零部件较多，对零部件加工精度，装配工艺要求较高，对腹部位移的约束作用也有限，因此，可以根据情况（单独或同时）配备带扣锁或端片位置的预紧器，以达到约束乘员的作用。而通过madymo软件分别对无预紧安全带，卷收器预紧安全带，带扣预紧安全带及卷收器带扣双级预紧安全带建立模型，通过仿真比较头部与胸部加速度值，可以得出采用预紧器能够有效降低头部与胸部加速度的峰值，而锁扣预紧对于降低伤害峰值更有效果，同时对于无预紧器模型的伤害值（头部HIC36和胸部3 ms加速度）进行归一化处理，得出采用预紧器能够使HIC36和T3 ms降低15%～25%左右，而双级预紧对于乘员保护有更高的效率，对于双级预紧的配置以后还需更进一步的研究。

安全带的限力功能是由限力装置实现的，在碰撞过程中，由于安全带要将乘员固定在座椅上以达到保护乘员的目的，因此，对安全带织带要求有足够的强度以及很低的延伸率（国标、美标、欧标相应的标准不同），相当于在安全带织带受拉过程中，织带是刚性的，因此与织带接触的胸部也承受了很大的压力，这样往往会造成乘员的伤害甚至死亡。于是，为了限制胸部承受的力值，便将限力装置应用于安全带系统上。安全带限力器是一种吸能装置，通常为金属杆状，大多安装在安全带卷收器中，当织带承受的力大于某个值时（力值根据车身系统配置及气囊来进行计算，力值越小胸部前移量则越大）限力器开始作用，吸收能量，并放出织带，以减少乘员胸部受到的伤害，并配合气囊的及时打开达到保护乘员生命安全的作用。为了更好地与气囊配合，国外先进安全带制造商研制了一种双级限力结构，它有两个限力器组成，碰撞初期两个限力装置一起作用，以保证胸部在承受某一固定力值时不会因前移量过大而过早接触安全气囊，随后其中一个限力装置脱开以缓解胸部压力，有效地控制了胸部的伤害值。

通过madymo软件，分别建立限力值为3.5 kN、4.5 kN及5.5 kN的数学模型，为了便于比较，将乘员运动的空间设置为无限，再对各种限力值下胸部3 ms加速度及胸位移进行对比，当乘员安全空间足够时，限力值越低，对乘员保护能力越高，但由于实际整车环境对乘员空间的影响，人体的运动是受生存空间限制的，因此具体的限力值还要根据整车的参数来进行匹配。

由于儿童乘员是一个特殊的乘员群体，因此，普通的汽车座椅及安全带系统并不适用于儿童乘员群体，为此特制的儿童座椅问世了，随之而来的，对于安全带系统的功能也有了更进一步的要求，这种要求便是安全带系统能够将儿童座椅牢牢的固定住，而不允许其有任何的位移，KISI功能便是通过一种特殊装置来达到这种功能的。当安全带织带拉出到一定位置时，KISI功能便启动，这时织带不再能够拉出，只能够回收，从而达到了固定儿童座椅的功能。

[1]2009中华人民共和国道路交通事故统计年报.公安部交通管理局,2010.

文婷）